김학성 KAIST 생명과학과 교수와 KAIST 생명과학과 교수 연구팀의 성과가 실린 국제학술지 ‘잭스 골드’ 11월호 표지 [KAIST 제공]

고정된 3차원 구조가 없는 상태로 존재하는 비정형 단백질은 알츠하이머(치매)·파킨슨병 같은 신경계 질환은 물론 암·심혈관계질환·대사질환도 유발한다.

비정형 단백질을 신속하게 검출하고 분석할 수 있다면 조기 진단을 통해 질병의 진행을 막고 환자의 예후를 개선할 수 있을 뿐 아니라, 병리 기전을 밝히고 나아가 치료제를 개발하는 데 큰 도움이 될 수 있다.

KAIST(카이스트)는 김학성 생명과학과 교수 연구팀이 이러한 비정형 단백질을 간단하게 검출할 수 있는 센서 단백질 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

단백질은 특정한 3차원 구조를 가지며 생체 내 다양한 기능을 수행한다. 실제 인간 단백질 중 44%는 상황에 따라 구조가 변화하는 비정형 단백질로, 고정된 구조를 갖는 일반 단백질에 비해 더욱 다양한 기능을 수행한다. 그러나 비정형 단백질은 고정된 구조가 없어서 이들 단백질의 분석과 기능 연구가 매우 어려웠다.

연구팀은 비정형 단백질이 단백질 2차 구조인 베타 스트랜드(β-strand)를 형성하는 특정 아미노산 서열을 갖고 있다는 점에 착안, 이러한 특정 서열과 상보적으로 결합할 경우에만 신호를 방출하는 새로운 형태의 센서 단백질 디자인 방법을 정립했다.

연구팀은 자연계에 존재하는 녹색 형광 단백질(GFP)의 베타 스트랜드 하나를 제거한 후, 비정형 단백질의 특정 서열이 결합하면 형광 단백질 발색단(chromophore)의 파장 스펙트럼이 변화하는 센서 단백질을 컴퓨터·방향적 진화 방법을 이용했다.

연구팀은 대표적 비정형 단백질의 하나로 알츠하이머를 유발하는 세포 내 베타-아밀로이드(β-amyloid)를 검출할 수 있는 센서 단백질을 개발, 실시간으로 세포막과 상호작용을 추적하고 영상화했다. 기존에는 비정형 단백질을 분석하기 위해 복잡한 여러 단계의 전처리 과정이 필요했고 이로 인해 비정형 단백질 자체가 크게 변형돼 실제 비정형 단백질의 분석과 기능 연구에 많은 제약이 있었다.

이번에 개발된 센서 단백질은 단순히 비정형 단백질과 섞어줌으로써 매우 간편하고 빠르게 비정형 단백질을 검출할 수 있어서 관련 질병 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.

해당 연구에는 KAIST 생명과학과의 유태근(제1 저자)·이진수·윤정민 박사가 참여했다. 유 박사는 “고정된 구조가 없는 비정형 단백질은 일반적 단백질에 비해 센서 단백질의 디자인과 개발이 매우 어려운 표적이었다”며 “이번 연구가 비정형 단백질의 분석과 관련 병리 기전의 연구에 새로운 방법과 전략을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘잭스 골드’ 11월호에 표지 논문으로도 게재됐다. 구본혁 기자