인간의 생명이 유지되기 위해 단백질은 반드시 필요한 물질이다. 인체의 필수 조직을 구성할 뿐 아니라 물질대사를 조절하는 역할을 담당하기 때문이다.
DNA에서 단백질이 만들어지는 과정을 살펴보면 우선 DNA 유전자가 정보를 제공하고 메신저 RNA가 그 정보를 받은 후 수송 RNA(tRNA)에게 전달하는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 정보는 세포 내 핵에서 받게 되는데 핵 주위에 있는 리보솜 속에서 메신저 RNA와 수송 RNA의 정보에 의해 단백질을 합성하게 된다.
이처럼 단백질이 합성되기 때문에 ‘단백질 합성공장’으로도 불리는 리보솜은 우리 몸의 건강한 균형을 유지하는 반면 단백질 변형이 일어날 경우 치명적인 질병을 야기할 수 있다는 점에서 많은 사람들의 관심을 받고 있는 기관이다.


펩타이드 결합 단계, 도식으로 제시



국내 연구진이 리보솜 내 펩타이드 결합의 형성단계와 과정을 밝혀 주목을 받고 있다. 충북대학교 화학과 강영기 교수가 주도하고 변병진 화학연 박사가 수행한 이번 연구는 그 성과를 인정받아 영국왕립화확회가 발간하는 물리화학 학술지인 PCCP(Physical Chemistry Chemical Physics)
“이번 연구는 리보솜이라는 단백질 합성공장 내에서 tRNA가 수송한 아미노산이 어떤 과정을 거쳐 결합하는지, 이에 대해 밝힌 연구라고 할 수 있습니다. 해당 과정을 양자화학적 방법을 이용해 밝혀냈죠. 단백질 합성을 막아 박테리아의 생장을 저해하기 위해서는 리보솜에서의 상세한 펩타이드 결합 과정을 밝히는 것이 중요합니다. 하지만 기존에는 X선으로 얻은 결정구조나 동위원소를 이용했기 때문에 합성과정을 충분히 설명할 수 없었죠.”
강영기 교수팀은 펩타이드 결합의 두 단계, 즉 아미노산 간의 결합과 수송 RNA로부터 아미노산이 해리되는 과정 가운데 첫 단계가 펩타이드 결합 형성의 속도결정 단계임을 확인했다. 이어 그 과정을 도식으로 선보였다.
“연구 결과 리보솜 내 펩타이드 결합과정에서 두 개의 아미노산이 육각형 구조를 이루며 연결된 전이 상태일 때 가장 안정적이라는 것을 알 수 있었습니다. 해당 전이 상태를 거쳐 단백질 결합이 이뤄지는 것이죠. 기존에도 많은 훌륭한 과학자들이 동위원소를 사용해 자세한 단백질 합성과정을 규명했어요. 특히 예일대와 독일 막스프랑크연구소 교수들은 이러한 연구결과로 네이처(Nature) 지에 논문을 발표하기도 했죠. 하지만 기존의 모델들도 실험결과를 충분히 증명하지 못했습니다.”
이에 강영기 교수팀은 기존 연구에서 고려하지 않은 특정 리보솜 RNA 등을 포함해 보다 실제에 가까운 리보솜 모델을 설계했다. 결합이 일어나는 활성부위에 가까이 위치한 특정 리보솜 RNA가 결합반응에 참여할 것이라는 실험 결과를 반영한 것이다.
“이번 연구는 약 3년 반의 시간을 들여 도출한 결과입니다. 재작년 여름, 연구가 거의 끝나 논문을 쓰고 있는데 타 교수로부터 결정적인 실험 결과가 네이처 지에 발표됐더군요. 때문에 추가적으로 계산 모델을 키워야겠다고 생각했고, 보다 정확한 계산을 논문에 추가했어요. 덕분에 네이처 지에 이미 발표된 타 논문의 한계를 모두 만족시킬 수 있는 모델을 설정할 수 있었죠. 리보솜 내에서 어떤 결합이 먼저 생기고 끊어지는지 양자화학적 방법으로 밝힐 수 있었습니다.”
슈퍼박테리아 치료 가능성 열려



강 교수는 분자설계학 분야에서 약 30년 이상을 몸 담은 전문가다. 새로운 분야를 연구하는 과학자에게, 매주 어떤 논문이 게재됐는지 체크하는 것은 중요한 일과 중 하나다. 세계과학연구의 흐름을 한눈에 알아볼 수 있으며, 만일 연구 분야가 겹칠 경우 추후 논문이 게재된 후에도 큰 어려움에 봉착하기 때문이다.
“충북대학교에 재임한 지 30년이 넘었습니다. 출근하면 가장 먼저 하는 일이 우리 분야의 화학 혹은 생명과학 등의 저널들을 검색하는 거예요. 그렇게 최신 정보들을 습득하다보면 어떤 주제가 사람들의 관심을 받고 있는지 알게 되죠. 또 그 속에서 새로운 연구 아이템을 찾기도 하고요. 이번 연구 역시 그러한 과정 속에서 진행하게 된 것입니다. 리보솜 내 단백질 합성과정에 대해 많은 사람들이 논문을 내긴 했지만, 아직 미진한 부분이 많다는 생각을 했고 본격적으로 도전해보자고 결심한 거죠.”
호기심과 작은 확신을 갖고 시작한 연구는 약 4년이 지나면서 빛을 보기 시작했다. 그동안 규명되지 않은 실험과정을 보다 명확하게 규명함으로써 큰 관심을 받게 된 것이다.
“많은 사람들이 갖고 있는 관심분야에 대해 정확한 결과를 제시했기 때문에 결과가 주목 받은 것 같습니다. 무엇보다 우리팀의 연구는 인체에도 모델링 적용이 가능해요. 앞으로 연구하고자 하는 모델만 적합하게 선정한다면 많은 과학자들이 알기 원하는 생명현상에 대해 이론화학적 방법으로 적절하게 사용할 수 있죠.
또한 우리 연구실 이름이 ‘분자설계학’ 연구실입니다. 실제로 분자설계를 이용하면 질병의 원인을 규명한다든지 혹은 그것을 치료할 수 있는 신약을 개발하는 데 실질적인 도움을 줄 수 있어요. 구조적 정보를 제공할 수 있기 때문이죠. 이번 연구를 통해 박테리아 치료를 위한 근본적인 해결방안 모색의 길을 열 수 있지 않을까 싶습니다.”
강영기 교수팀은 앞으로 모형 펩타이드를 이론화학적으로 연구해 여러 가지 생명현상뿐 아니라 재료 면에서도 사용할 수 있는 신물질을 개발할 계획이라고 밝혔다.
“앞으로 다양한 신물질을 개발할 수 있도록, 근본적인 연구를 진행할 계획입니다. 더불어 3년 전부터 연구하기 시작한 감마-펩타이드에 대한 연구를 진행할 계획입니다. 우리 연구실은 세계에서 감마-펩타이드의 구조적 특성을 연구할 수 있는 이론연구실 중 최첨단 시설을 갖췄다고 볼 수 있습니다. 앞으로는 이에 대한 연구 역시 박차를 가해 프랑스와 스페인 연구그룹과 함께 좋은 결과를 만들어가도록 할 것입니다.”