[논문]전자현미경을 이용한 단백질 3차원 구조

정강원

전자현미경을 이용한 단백질 3차원 구조
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전자현미경을 이용한 단백질 구조분석은 약 30여년간 발전되어 왔다. Bacteriorhodopsin과 porin 등의 near atomic resolution의 구조분석은 전자현미경의 발전과 진행을 보여주는 하나의 예로 설명될 수 있다. 전자현미경을 이용한 거대분자의 3차원 구조를 규명하기 위해 필요한 기본과정 즉, 시료준비, 자료수집과 자료처리 등에 대하여 토론하였다.

Electron microscopy has used for analysing the structure of protein over 30 years. Bacteriohodopsin and porins are used as examples to illustrate the progress that has recently been made in attaining resolutions which hitherto were regarded as exclusive to the realm of x-ray crystallography. To determine a protein structure used by electron microscopy, one must pass through a number of basic steps including preparation of specimen , data acquisition and data processing.

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문제 정의

이 구조는 저 분해능 (low resolution)의 3차원구조였으나, 그후 고 분해능의 구조분석을 위해 많은 연구가 세계 곳곳에서 수행되어져 오고 있다. 본 연구에서 전자현미 경을 이용한 단백질의 3D 구조 규명에 대해 간략히 토론하고자 한다.

이론/모형

2차원 결정으로부터 3차원 구조결정은 Real/Fourier Space방법 (Saxton et al., 1984)으로 구한다. Tilt series 에서 얻은 각각의 unit cell을 vectoi{{= match }}에 평행되게 resampling후, 3차원 Fourier space로 옮긴다.
low-dose, spot-scanning기법, energy filtering 등을이용하여 고 분해능의 전자현미경 image를 얻는다.
single macromolecule particle 구조연구에 널리 이용되 고 있는 single-exposure random conical tilt series (Rademacher et al., 1987; Radermacher, 1988)의 방법을 이용하여 각각의 입자(비결정형 입자)로부터 3차원 구조를 재구성한다.
azimuthal angle은 rotation cross-correlation^ 이용하여 tilt되지않은 입자의 전자현미경 사진으로 구할 수 있다.즉여러 방향으로 orientation된 입자들을 multivariate statistic이 분석 (van Heel & Frank, 1981; van Heel,1984)법으로 위 두 각도를 구할 수 있다. 비대칭 입자들을 alignment 시 킨 후, 3차원 구조를 재 구성한다.
세 번째로 액체 질소에 보관된 급속 냉동된 시료를 공기와의 접촉 없이, 온도의 변화 없이 전자현미경으로 옮기기 위 해 cryotransfer holder^- 이용한다. 초저온 (액 체 질소 온도)에서의 시료는 electron beam 에 매우 불안정하므로 low dose기 법 (Data 수집 참조)으로 시료를 관찰 및 촬영을 한다.

성능/효과

예로, membrane protein을 lipid bilayer속에서 재 결정화 한 후 관찰할 수 있다. V)거대분자 단백질이나 단백질 집합들(assemblies), 즉 분자량의 한계가 없이 정확한 분자구조 분석을 할 수 있다. crystalline 이 배열된 결정에 대해 electron crystallography적 방법(Amos et al.
첫 번째로, 회절분석을 위해 요구되는 3차원 단백질 결정 생성에 많은 양의 고 순도(highly pure) 단백질이 필요하며, 또한 결정생성이 종종 어려울 때 가 있다. 두 번째로, electron density map을 구하기 위해서 amplitude{{= match }} phase/]- 요구되나, amplitude만 직접 구할 수 없는 단점을 가지고 있다. 다 차원 (multi-di-mensional) NMR 은 고체가 아닌 용액 속에서 단백질의 3차원 구조분석과 분자의 flexible part에 대해 구조적 정보를 얻을 수 있는 뛰어난 장점을 가지고 있으나, 분자량의 한계 즉, 30kDa 이상의 분자량을 가지는 단백질에 대한 구조분석의 어려움(Kay & Gardner, 1997)과 x-선 회절과 마찬가지로 많은 양의 고 순도단백질이 필요하다.

후속연구

오고 있다. 극저온 전자현미 경의 electron crystallo-graphy와 electron tomography, CCD camera와 energy filtering 등의 신기술 발전으로 고 분해능의 image를 얻을 수 있을 수 있으며, 이는 구조생물학 분야의 발전에 큰 기여를 할 것이다. 현재와 같이 계속 발전된다면, 다가{{= match }} 10년 내에 전자현미경을 이용하여 거대분자 단백질 complex의 atomic resolution을 얻을 수있을 것으로 확신한다.

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