[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = KAIST는 바이오및뇌공학과 최명철 교수 연구팀이 나노소재의 기초물질로 활용할 수 있는 단백질 이증나선 구조를 새롭게 개발 성공했다고 30일 밝혔다.

몸속에서 미세소관을 구성하는 '튜불린(Tubulin) 단백질'을 나노공학 측면에서 재조명해 거둔 성과다.

자연계와 산업계의 나노소재들은 놀라울 정도로 크고 복잡한 구조를 띤다. 이 구조들의 기본 형성원리는 작고 단순한 단위체들의 고유 형태가 전체구조를 결정한다는 원리다. 일반적으로 다양한 곡면 구조를 만들려면 서로 다른 모양을 가지는 최소 두 종류의 분자들을 이어 붙여야 한다.

최명철 KAIST 바이오 및 뇌공학과 교수 연구팀이 나노소재의 기초물질로 활용할 수 있는 단백질을 새롭게 발굴했다. [사진= KAIST] 2020.10.30 memory4444444@newspim.com

연구팀은 생명 현상의 중요한 역할을 담당하는 미세소관의 특이한 성질에 주목했다. 미세소관이 성장과 붕괴 과정에 필요한 다양한 곡면을 오직 한 종류의 단위체인 튜불린 단백질만으로 구현하기 때문이다.

미세소관은 튜불린 단백질로 이뤄진 긴 튜브 형태의 나노 구조물로 물질 수송의 고속도로 및 세포 분열 과정의 분자기계 역할을 수행한다.

연구팀은 튜불린이 수직한 두 방향으로 접히는 독특한 성질에 핵심이 있다고 판단, 튜불린의 형태 변형을 인공적으로 제어하겠다는 점에 아이디어를 얻은 후 곧장 연구를 시작했다. 튜불린 단백질의 접힘을 제어하는 분자스위치를 찾고자 한 것이다.

연구팀은 튜불린이 강한 음전하를 띤 단백질이라는 점을 감안해 양전하 중합체인 폴리라이신(poly-L-lysine)이 미세소관의 구조를 변형하는 과정을 관찰했다. 가속기 X선 산란장치를 이용해 옹스트롱(Å, 100억분의 1미터)의 정확도로 측정하자 DNA 이중나선 구조의 결정적 증거가 된 로절린드 프랭클린의 '포토 51'과 유사한 결과를 확인했다.

그 결과는 튜불린들이 꼭 두 줄씩 길게 늘어선 '튜불린 이중나선' 구조의 형성을 의미하는 것으로 연구팀은 튜불린을 두 방향으로 접을 수 있는 분자스위치를 찾아낸 것이다.

분자스위치의 크기와 개수를 조절함에 따라 최 교수 연구팀은 단일 벽 나노튜브에서 이중벽 나노튜브로 변환하거나 이중나선의 간격을 자유자재로 조절이 가능한 성과를 거둘 수 있었다.

포토 51은 로절린드 프랭클린이 촬영한 DNA의 엑스선 회절 이미지로 프랜시스 크릭과 제임스 왓슨이 DNA 이중나선 구조를 밝히는데 결정적인 증거가 됐다.

왼쪽부터 이준철 박사과정, 송채연 박사, 최명철 교수  [사진=카이스트] 2020.10.30 memory4444444@newspim.com

최 교수는 "이 논문을 계기로 튜불린을 나노소재로 활용하는 연구들이 본격적으로 시작될 것ˮ 이라면서 "새로운 바이오-나노기술의 특이점이 될 선도적 연구ˮ라고 말했다.

이어 "나노미터 크기의 광학/전기/의료 소재를 개발하는 플랫폼으로는 물론 모터 단백질 키네신과 결합해 분자기계를 개발하는 등 활용 가능성이 무궁무진하다ˮ며, ""향후 다양한 형태와 특성을 가진 나노소재를 만들어낼 '튜불린 나노공학'의 발전 기반 조성과 함께 이번 연구를 통해 발견한 분자스위치는 알츠하이머병 등 뇌질환의 새로운 치료 전략으로 활용될 것ˮ이라고 했다.

앞서 연구팀은 이 분자스위치를 이용한 튜불린 나노소재의 의료적 가치를 입증한 바 있다.

미국 산타바바라 캘리포니아대와 공동으로 진행된 이번 연구는 한국연구재단 (중견연구, 방사선기술)과 한국원자력연구원·KAIST의 지원을 받았으며 포항 방사광 가속기의 소각 X선 산란 장치를 이용해 실험을 수행했다.

KAIST 바이오및뇌공학과 이준철 박사과정과 송채연 박사(아모레퍼시픽 R&D 센터)가 공동 제1 저자로, 최명철 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 '스몰(Small)'에 지난 9월 17일 표지논문(Back Cover)으로 게재됐다.

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