보고서 정보
주관연구기관 |
서울대학교 Seoul National University |
연구책임자 |
유영제
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2006-11 |
과제시작연도 |
2005 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국과학재단 Korea Science and Engineering Foundtion |
등록번호 |
TRKO200800068544 |
과제고유번호 |
1350015222 |
사업명 |
특정기초연구지원 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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키워드 |
단백질 안정성.단백질 구조 분석.효소 안정성.기능성 단백질체학.분자 열역학.효소 공학.protein stability.protein structure analysis.enzyme stability.functional proteomics.molecular thermodynamics.enzyme engineering.
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초록
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본 연구의 최종 목표는 단백질 안정성 향상에 있어서 기존 연구들이 가지는 직관적, 경험적 한계를 극복하고 단백질 안정성에 대한 본질적인 이해를 통해 신규 단백질 설계를 위한 분자열역학모델을 제시하고, 단백질 안정성을 향상시킬 수 있는 rational design 방법을 개발하여 국제적으로 경쟁력 있는 단백질 안정성 향상 기술을 확보함에 있다.
본 연구에서는 열, 유기용매, 염, pH 등의 외부환경으로부터 단백질의 안정성을 향상시키기 위해 분자모델링, 생물정보학, 분자열역학을 이용하여 단백질 안정성에 중요한 구조인자를 분석하고
본 연구의 최종 목표는 단백질 안정성 향상에 있어서 기존 연구들이 가지는 직관적, 경험적 한계를 극복하고 단백질 안정성에 대한 본질적인 이해를 통해 신규 단백질 설계를 위한 분자열역학모델을 제시하고, 단백질 안정성을 향상시킬 수 있는 rational design 방법을 개발하여 국제적으로 경쟁력 있는 단백질 안정성 향상 기술을 확보함에 있다.
본 연구에서는 열, 유기용매, 염, pH 등의 외부환경으로부터 단백질의 안정성을 향상시키기 위해 분자모델링, 생물정보학, 분자열역학을 이용하여 단백질 안정성에 중요한 구조인자를 분석하고 단백질의 안정성을 향상시킬 수 있는 분자열역학 모델과 rational design 방법을 개발하였다. 그리고 수립된 전략을 실험을 통해 검증하고 수정? 보완하고 이 과정을 반복하여 최종적으로 안정한 단백질을 설계할 수 있는 효과적인 rational design 방법을 개발하였다.
분자모델링, 분자열역학 방법, 생물정보학 방법과 플라즈미드 디스플레이 기술을 이용하여 단백질 안정성을 향상시키기 위한 이론적, 실험적 전략을 수립하였다.
①단백질 열 안정성 향상 - 단백질 내부의 잔기충전도를 증가시키는 전략, 안정 한 salt bridge의 도입하는 전략, 단백질 내부의 cavity를 computational method 를 통해 재설계하는 전략 등을 수립하였다.
②단백질 최적 pH 변화 - 최적 pH에 변화를 줄 수 있는 변이주를 단백질 3차 구조와 서열을 이용하여 선정하고 electrostatic potential 계산을 통해 예측하며 ligand-protein docking을 통해 효소활성을 보전하는 예측하는 전략을 수립하였다.
③단백질 특성 예측 모델 개발 - GLJ, MPHSC 와 같은 열역학 분자모델식을 이용하여 외부 환경 변화 (온도, pH, salt)에 대한 혼합 단백질 용액 내에서 안정 적인 결정화 조건을 나타내는 척도가 되는 Osmotic second virial coefficient를 예측 및 비교 분석함으로써 2개의 단백질 시스템에서의 상거에 미치는 염의 영향을 설명할 수 있는 새로운 열역학적 모델식을 수립하였다.
④플라즈미드 디스플레이 시스템 개발 및 안정한 효소 개발- 단백질의 활성이 보전된 상태에서 열 안정성과 유기용매 안정성이 동시에 증가한 변이주를 탐색할 수 있는 시스템을 수립하였다. 이 시스템을 통해 안정성이 증가된 변이주를 원형 (template)으로 하여 안정성은 더욱 향상되고 활성은 보전되는 변이주의 제작이 가능해졌다.
본 연구를 통해 열 안정성이 향상된 Lip A 변이주 (A38V, A75V, G80A, A105V, A146V, G172A)와 활성이 보전되고 열 안정성이 향상된 GST 변이주 (H214Y, D120V+D145N, Q203C)와 최적 pH가 향상된 xylanase 변이주 (S84V, A115I, A115T, A115S, A115Y, A115W, A115E, T33E, T33R, Q175R)와 열 및 유기용매 안정성이 모두 향상된 cutinase 변이주 (A56V, I183T, I183F) 등의 신규 단백질을 설계하였다.
Abstract
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The final of goal of this research is to develop effective rational design method based on protein structural analysis, molecular thermodynamics and molecular modeling for improving protein stability. This rational approach can overcome limitations of previous methods which depend on experiments and
The final of goal of this research is to develop effective rational design method based on protein structural analysis, molecular thermodynamics and molecular modeling for improving protein stability. This rational approach can overcome limitations of previous methods which depend on experiments and intuitions in protein design.
In this research, bioinformatical tools, thermodynamic analysis and molecular modeling were performed to develop novel rational design method and thermodynamic model for improving protein stability against high temperature, organic solvent, pH, and salt. Proposed strategies were evaluated and improved through experimental validation, site directed mutagenesis. Finally,
effective rational design methods for stable protein were established.
Theoretical and experimental strategies to improve protein stability using molecule modelling, molecular thermodynamics, bioinformatic tools and plasmid display technology were established.
① Enhancement of protein thermostability - Method to increase residual packing value of protein, to introduce new salt bridges into protein, redesign of protein cavity by computational method were developed to increase protein thermostability.
② Change pH optimum - Strategy to predict the change of optimum pH of protein by calculating electrostatic potential of catalytic residues were developed. Protein-ligand docking simulation was performed to predict activity change after mutation.
③ Prediction osmotic pressure by thermodynamic model - Thermodynamic model such as GLJ, MPHSC were developed to predict Osmotic second viral coefficient which is an important factor to protein crytallization under various salt conditions.
④ Plasmid display technology - Plasmid display technology was developed to increase protein stability without loss of its activity. Stable proteins both at high temperature and in organic solvents were selected by this system.
Thermstable lipase mutants (A38V, A75V, G80A, A105V, A146V, G172A), thermostable and active GST mutants (H214Y, D120V+D145N, Q203C), xylanse mutants with alkaline optimum pH (S84V, A115I, A115T, A115S, A115Y, A115W, A115E, T33E, T33R, Q175R) and stable cutinase mutants both at high temperature and in organic solvent (A56V, I183T, I183F) were designed by rational approach of this work.
The research result of work will raise industrial applications of protein by systematic understanding of molecule-based protein stability and effective rational design method. In addition, accumulated experimental or theoretical technologies will help to predict and enhance other functions of protein
목차 Contents
- Ⅰ. 연구계획 요약문...3
- 1. 국문요약문...3
- Ⅱ. 연구결과 요약문...4
- 1. 국문요약문...4
- 2. 영문요약문...6
- Ⅲ. 연구내용 및 결과...9
- 1. 서론...9
- 2. 연구방법 및 이론...14
- 3. 결과 및 고찰...19
- 4. 결론...84
- 5. 인용문헌...85
- 6. 연구성과...88
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