스위스 ETH 연구진들이 막단백질 결정화 방법을 개발했다고 보고했다. 이는 막단백질의 구조 결정에 있어서 필수 조건이다. 이번 연구로 구조 생물학 분야와 제약업계에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 관련 연구는 Nature Communications(2018)에 게제되었다 (DOI: 10.1038/s41467-018-02996-5 ).

세포 막에 박혀 있는 단백질은 세포와 생명 현상에 중요한 역할을 한다. 막단백질은 여러 가지 종류가 존재할 뿐 아니라 다양한 기능도 가지고 있다. 예를 들면 세포간 대화나 면역 반응을 통해서 기질을 세포 안과 밖으로 이동시키는 역할을 한다. 막 단백질들은 치료나 진단을 위한 타깃으로 중요하게 간주되고 있다. 만일 막단백질의 구조와 기능을 알게 된다면, 제약업체는 타깃화된 방법을 이용해 이들 기능에 영향을 미칠 수 있는 활성 기질을 개발할 수 있게 된다.

지금까지는 막단백질의 구조 결정이 매우 어려웠는데, 이는 연구자들이 이들 분자들을 분리하고 결정화하는 일이 쉽지 않았기 때문이다. 거기에 막단백질은 불용성이고, 종종 너무 분자가 크고 이질적이어서 표준 방법으로 결정화 하기 어렵다. 이번 연구는 어떤 형태나 크기에 상관없이 막단백질을 결정화할 수 있음을 보여준 것이다.

반응 챔퍼로써의 (a reaction chamber) 리피드-물 혼합

이번 연구는 1990년대에 “인 메조 결정화”라고 불리는 방법에 기초하고 있다. 단백질은 리피드성 중간 단계로 알려진 안정된 물-리피드 혼합체를 이용해 막단백질을 분리한 후에, 진한 농도로 만든다. 이런 종류의 중간 단계에서는, 생체막처럼, 리피드가 자기 조립 과정을 통해 만들어진 벽이 구부러진 물 채널의 3차원 네트워크로 연결되어 있다. 이들 물 채널은 일반적으로 3-4 나노미터의 직경을 가지고 있으며, 네트워크의 기본적인 입체 모티브가 규칙적인 간격으로 반복된다. 이런 종류의 채널에서는, 막 단백질은 세포막의 소수성 부분을 이용해서 그 안에 박혀있다. 단백질의 나머지 부분은 물 채널 안에서로 향해 있다. 일단 정확하게 재구성된 단백질은 결정화를 시작할 수 있다.

전하를 띈 리피드로 채널을 확장하다

연구진은 적은 양의 전하를 띈 리피드를 약간 섞어 줌으로 채널을 확장시킬 수 있었다고 보고했다. 전하를 띈 리피드는 서로 반발하면서 밀어내기 때문에 채널을 직경 20 나노미터까지 증가시킬 수 있었다고 연구진은 말했다. 이런 방법은 2000년대부터 줄곧 사용해 왔지만, 이런 전략적인 방법으로 발전시킬 수 있음을 보여준 것은 이번 연구가 처음이라고 연구진은 설명했다. 실제로 이 방법론 때문에 연구진은 거대한 막단백질을 결정화하고 구조를 밝혀낼 수 있었다고 말했다.

이번에 개발한 방법을 이용해 연구진은 GLIC(Gloeobacter ligand-gated ion channel)이라고 불리는 단백질의 구조를 밝혀낼 수 있었다. 또한 이 방법은 다른 막단백질을 결정화하는데도 유용할 것으로 기대되므로, 더 많은 단백질 구조가 밝혀질 것으로 기대된다.

현재 360개의 작은 막 단백질의 구조가 알려져 있는데, 이 숫자는 전체 막단백질의 1/7에 해당한다. 이는 대부분의 막단백질의 구조가 밝혀지지 않았음을 말해준다. 연구진은 이번 연구가 제약회사와 구조 생물학 분야에 도움이 될 것이라고 주장했다.