서울대학교 이형호 교수님 연구실

연구실 개요

구조생화학 연구실 (Structural Biochemistry Lab)에서는 온실가스이자 재생 자원인 C1 가스 일산화탄소 (Carbon monoxide)를 유용한 화학물질로 전환하기 위한 바이오 촉매 개발 연구를 진행 중이다. 특히 X-선 결정학 (X-ray crystallography)와 초저온 전자현미경법 (cryo-electron microscopy)을 활용하여 바이오 촉매의 삼차원 구조를 고해상도로 규명하고 분자 수준의 작동 기작을 밝힘으로써 효율적으로 바이오 촉매를 설계하고 있다. CO dehydrogenase는 CO를 CO2로 전환하는 바이오 촉매이며 UNIST 김용환 교수 연구실과의 긴밀한 공동 연구를 통해 Carboxydothermus hydrogenoformans 에서 유래한 CO dehydrogenase (ChCODH)의 삼차원 구조를 규명하였다. 또한 ChCODH를 바이오 촉매로 활용하는데 있어서 난제 중 하나인 산소 안정성 문제를 해결하기 위해서 ChCODH 내에 존재하는 다양한 터널을 분석하여 O2가 이동하는 터널의 위치를 동정하고 터널 엔지니어링을 통해서 산소 안정성을 획기적으로 개선하였고 이 결과는 Nat. Catal. (2022)에 표지 논문으로 게재되었다. 이 외에도 formate dehydrogenase와 이 효소에 tungstate 삽입에 관여하는 tungstate insertase 구조 연구를 통해 CO2를 전환하는 바이오 촉매 구조 연구를 활발히 진행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. X-선 결정학과 cryo-electron microscopy를 활용한 C1 가스 전환 바이오 촉매 삼차원 구조 연구

C1 가스 전환을 위한 바이오 촉매는 환경 친화성, 선택성과 효율성, 재생 가능성 및 재사용 가능성 등을 포함하여 지속 가능한 에너지 및 화학 산업을 위한 매우 유망한 솔루션을 제공하지만, 활성도 향상, 선택성 개선, 안정성 및 재생 가능성 강화 등의 개선이 필요하다. 구조생화학 연구실에서는 이러한 바이오 촉매의 개발을 위해서 고해상도의 삼차원 구조를 X-선 결정학과 cryo-electron microscopy 방법을 활용하여 규명하여 분자적 기작과 활성 메커니즘을 규명하고, 구조 기반 설계를 통해서 바이오 촉매로서 최적화하기 위한 단백질 엔지니어링 연구를 수행 중이다 (그림 1). 특히 C1 가스 전환 바이오 촉매의 경우 다양한 iron-sulfur cluster 들을 포함하고 있어서 O2 안정성을 저해하는 경우가 많은데 이를 개선하기 위해서 바이오 촉매 내부의 O2 이동 통로를 동정하고, O2 이동을 저해하는 방식으로 새로운 바이오 촉매를 설계하고 있다.

2. CO dehydrogenase 터널 엔지니어링 연구

Carboxydothermus hydrogenoformans 에서 유래한 CO dehydrogenase (ChCODH) 효소는 CO 전환 효율이 매우 뛰어나지만, 바이오 촉매로서의 활용을 위해서는 산소 안정성의 문제가 해결되어야 한다. 본 연구팀은 UNIST 김용환 교수 연구실과의 공동 연구를 통해서 ChCODH2의 터널 엔지니어링 방법을 활용하고 있다 (그림 2). ChCODH2 내부에는 다양한 기체 이동 터널이 존재하고, 이 터널들은 CO 분자의 확산 경로를 제공하고, 반응 산물인 CO2의 확산을 촉진하는 역할을 하고 있다. 하지만, O2가 효소의 활성 부위 및 다양한 iron-sulfur cluster에 접근하게 되면 효소 활성을 매우 크게 떨어뜨리게 된다. 본 공동 연구팀에서는 ChCODH2 내에 O2가 이동하는 통로를 동정하고, 구조 기반 설계를 통해 산소 안정성을 획기적으로 향상시킨 variant를 찾아서 삼차원 결정 구조를 규명하였다. 삼차원 구조를 기반으로 ChCODH2 variant가 어떻게 산소 안정성을 가지게 되었는지에 대한 분자적 기작을 밝혔다. 이 결과를 바탕으로 산소 안정성이 더욱 향상된 효소를 만들고, 전자가 전달되는 경로를 찾아서 electron mediator가 없이 전극에서 바로 전자가 ChCODH2에 전달되도록 설계하는 연구를 진행 중이다.

연구실 현황

구조생화학 연구실은 연구교수 1명, 박사후원구원 1명, 석박통합과정 8명으로 구성되어 있다 (그림 3). X-선 결정학 방법과 cryo-electron microscopy를 활용하여 인체 막단백질, 바이오 촉매 등의 중요한 바이오 분자들의 삼차원 구조 및 기능연구를 통해 Nat. Commun. (2023년 2편), PNAS (2023년, in press), Nat. Catal. (2022년) 등의 우수한 성과를 얻고 있다. 특히 CO dehydrogenase 구조 연구를 통해 바이오 촉매 분야의 연구를 활발히 수행하고 있다.