단백질을 자세히 보기――결정화에서 건강으로 가는 길잡이

1. 단백질과 구조생물학의 기초

1.1 단백질이란 무엇인가

단백질(Protein)은 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결되어 1차 구조를 가지는 것에서 시작하여, 2차 구조(α‐헬릭스나 β‐시트), 3차 구조, 4차 구조로 접히면서 생체 내에서 다양한 기능을 담당한다. 효소, 호르몬, 수용체, 운반체, 구조 단백질 등 그 역할은 매우 다양하다.

1.2 구조를 아는 것이 왜 중요한가

단백질의 구조를 원자 수준에서 아는 것은 그 기능을 이해하는 열쇠이며, 이상 구조(변이, 접힘 오류, 잘못된 결합 등)가 질병을 일으키는 경우가 많다. 약물 설계(드럭 디자인)에서는 약물이 타겟 단백질에 어떻게 결합하는지를 정확히 모델링하기 위해 결정 구조가 매우 중요하다.

2. 단백질의 결정화란

2.1 결정화의 정의와 목적

단백질의 결정화란 단백질 분자를 질서 정연한 규칙적인 구조(결정 격자)로 배열시키는 것이다. 이를 통해 X선 회절이나 중성자 회절, 전자선 회절(클러스터법, 크라이오 전자 현미경과의 병용 등)로 직접 구조 정보를 얻을 수 있다.

2.2 기본 원리: 용해도, 과포화, 핵형성, 성장

• 용해도(solubility): 특정 온도·화학 환경에서 단백질이 용액 중에 존재할 수 있는 최대 농도. 용액 중의 단백질 농도가 이 값을 초과하면 과포화 상태가 된다.

• 과포화(supersaturation): 용해도를 초과한 상태. 핵형성(nucleation, 최초의 작은 결정의 "씨앗" 형성)을 유발한다. 과포화가 너무 강하면 다수의 작은 결정이나 응집체가 되기 쉽고, 적절한 과포화가 중요하다.

• 핵(nucleus, plural nuclei): 결정의 "씨앗". 충분한 질서를 가진 배열의 원자 또는 분자의 집합으로, 성장이 시작되는 지점.

• 결정 성장(crystal growth): 핵이 형성된 후, 더 많은 단백질 분자가 규칙적으로 배열되어 결정이 성장하는 단계. 성장 중의 온도 제어, 용매·이온 강도·pH 등의 환경의 정밀 조정이 필요하다.

2.3 페이즈 다이어그램의 활용

"페이즈 다이어그램(상도)"은 용액 조건(단백질 농도, 첨가제 농도, 온도 등)을 축으로, 녹아 있는 영역(unsaturated), 과포화되어 핵이 형성되기 쉬운 불안정 영역(nucleation zone), 그 핵이 성장하기에 적합한 안정된 과포화 영역(metastable zone), 혹은 과포화가 너무 강해 침전이나 응집체가 생기는 영역 등을 도식화한 것이다. 이를 올바르게 이해·측정함으로써, 더 양질의 결정을 얻기 위한 조건 설정이 가능해진다. 그르노블의 연구 시설에서도, Phase Diagram의 정밀한 측정과 조작이 결정질, 결정 크기, 결정의 정합성에 큰 영향을 미치고 있다는 보고가 있다.ibs.fr

3. 결정화의 구체 기술과 최적화 전략

3.1 고스루풋 스크리닝

많은 후보 조건(pH, 염, 계면활성제, 온도 등)을 작은 샘플로 시도하여 "결정이 생기는 히트"를 찾는 작업. 과거에는 구조 게노믹스(structural genomics) 프로젝트에서, 자동화 플레이트, 로보틱스, 분액기 액체 핸들링 기술 등을 사용하여 다수의 조건을 한 번에 시도하는 방식이 확립되어 있다.PMC+1

3.2 첨가제·온도·습도·완충액(버퍼)의 최적화

• 첨가제(계면활성제, 금속 이온, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 유기 용매 등)는 결정의 핵 및 성장 과정에서 중요한 역할을 한다.

• 온도도 용해도/과포화 상태를 변화시킨다. 냉각이나 온도 구배를 이용.

• pH와 염 농도는 단백질의 전하 상태나 안정성을 좌우하며, 결정화에 크게 영향을 미친다.

• 습도나 증발률도, 예를 들어 베이퍼 디퓨전법 등에서 중요하다. 미량의 수분 이동이 과포화를 서서히 유도함으로써, 더 정돈된 결정을 만들 수 있는 경우도 있다.

3.3 인-셀 결정화/세포 외·비세포 환경에서의 신기술

최근, 세포 내(in‐cell) 또는 세포를 사용하지 않고 단백질 합성 후 바로 결정화를 수행하는 기술(cell-free systems) 등이 개발되고 있다. 이를 통해 안정성이 낮은 단백질이나, 기존 방법으로 결정화가 어려운 단백질의 구조 결정 가능성이 넓어지고 있다.

4. 구조 결정 기술: 결정에서 구조로

결정을 얻은 후, 이를 구조 결정에 사용하는 방법이 몇 가지 있다. 주요 방법은 다음과 같다:

• X선 회절(X-ray crystallography): 가장 일반적이다. 결정에 X선을 쏘아 회절 패턴을 분석하여 원자 위치를 결정한다. 고해상도를 얻기 위해서는 양질의 충분한 크기의 결정이 필요하다.

• 중성자 회절(neutron diffraction): 수소 원자(또는 중수소)가 관여하는 구조나 수화 구조를 밝히는 데 유용하다. X선으로는 얻기 어려운 정보를 얻을 수 있지만, 더 크고 정돈된 결정이 필요하다.

• 크라이오 전자 현미경(Cryo-EM): 최근 급속히 발전하고 있으며, 큰 복합체나 막 단백질의 구조 결정에 강하다. 단, 결정화를 필요로 하지 않는 방법도 있으며, 결정성 샘플과 결합하여 보완적으로 사용되기도 한다.

5. 단백질 구조 정보의 건강·의료에의 응용

5.1 신약·약물 설계

병원체(세균·바이러스)의 단백질, 암 관련 단백질, 대사 효소 등을 표적으로, 결정 구조에서 약물 결합 사이트를 특정하고, 활성화 부위나 억제제 설계에 도움을 준다. 구조를 정밀히 알면 약물의 부작용을 줄이고 선택성을 높일 수 있다.

5.2 항체 개발과 백신 설계

항체나 수용체와의 결합 양식을 입체 구조로 포착함으로써, 중화 항체의 개발, 혹은 백신 항원의 최적 디자인이 가능해진다.

5.3 유전자 변이와 구조 이상

유전자 변이가 단백질의 구조·안정성·상호작용을 변화시켜 알츠하이머병, 프리온병, 낭포성 섬유증 등의 질환을 일으킨다. 이를 이해하기 위해서는 구조 결정이 필수적이며, 결정 구조로 변이체의 영향을 밝힐 수 있다.

5.4 개인화 의료·약물 내성

개인의 변이와 병태에 따라, 구조 정보를 기반으로 적합한 약물을 선택하는 개인화 의료가 진행되고 있다. 또한, 병원체에서 약물 내성을 초래하는 구조 변화를 이해하는 데 결정 데이터가 도움이 된다.

5.5 영양·식품 과학에의 관련

단백질의 소화성, 알레르기 반응, 이황화 결합 등이 식품 가공 과정에서 변화할 수 있다. 이러한 것들도 단백질의 구조 이해(부분적으로는 결정 구조 포함)를 통해 최적화할 수 있다.

6. 그르노블에서의 연구와 사례

그르노블에는, Institut de Biologie Structurale(IBS; 구조생물학연구소) 등 많은 최첨단 시설이 존재한다. 그들은 결정화 조건의 "합리화(rationalization)"를 주제로, 페이즈 다이어그램의 측정, 정밀한 온도‐화학 조성 제어, 첨가제의 체계적 스크리닝을 수행하고 있다.ibs.fr

또한, 그르노블에서 발표된 연구에는 다음과 같은 것이 있다:

• 근육성 단백질(muscle proteins)의 결정화에 관한 트라이얼. 운동기 질환이나 대사 이상과의 관계 해명을 목표로 하고 있으며, 결정화가 어려운 것에 대해 새로운 방법을 적용 중.PMC

• 고스루풋 결정 스크리닝을 통해, 다양한 단백질의 구조 결정을 효율화하는 연구.PMC

7. 과제와 한계

구조생물학·결정화 연구에는 많은 과제가 남아 있다:

• 막 단백질이나 큰 멀티프로테인 복합체는 결정을 얻기가 매우 어렵다. 소수성 부분이 많고 안정성이 낮기 때문이다.

• 구조의 동적 측면(구조 변화, 가동 영역 등)이 정적인 결정 구조만으로는 포착되지 않는다.

• 결정화할 때 인위적 조건이 필요하며, 생체 조건과의 격차가 있다.

• 결정을 조작하는 과정에서 손상이 발생하거나, 다른 결정 형태(polymorph)나 결정 중의 불완전성(모자이크성 등)이 생긴다.

• 기계 학습이나 인공지능을 사용한 예측 모델의 정확도 향상, 또한 결정화 조건의 데이터베이스 충실이 필요하다.