| 초록 |
□ 연구개요 효소 단백질에 포함된 금속 이온들은 산화·환원 반응, 중간 단계 안정화, Lewis acid 기능 등의 핵심적인 역할을 수행한다. 탄산탈수 효소는 zinc 이온을 포함하는 효소로서 물에 잘 녹지 않는 이산화탄소를 물에 잘 녹는 탄산의 형태로 바꾸는 화학반응에서 촉매 작용을 하는 단백질이다. 본 연구는 탄산탈수 효소 내부에 존재하는 zinc 이온이 기존에 알려진 단순한 화학적 Lewis acid의 역할을 넘어서, 전자기적, 양자역학적인 물리적 효과를 고려해야만 설명이 될 수 있는 숨겨진 역할이 있다는 사실을 실험적으로 규명하는 연구를 진행하였다. □ 연구 목표대비 연구결과 본 연구에서는 탄산탈수 효소에 존재하는 zinc 이온의 물리적 역할을 실험적으로 규명하기 위하여 크게 세 가지의 연구를 진행하였다. 1) Zn<sup>2+</sup> 이온을 제거한 탄산탈수 효소의 중간단계 (intermediate state) 연구 이 연구에서는 Zn<sup>2+</sup> 이온이 제거된 탄산탈수 효소 (Apo-state Carbonic Anhydrase)에 CO<sub>2</sub> 분자를 주입하고, CO<sub>2</sub> 분자가 빠져나가는 동안 일어나는 활성부위의 변화를 면밀히 추적하여 Zn<sup>2+</sup> 이온이 없는 상황에서 활성부위의 양성자 전달 경로 (proton transfer network)가 어떻게 복원되는지는 분석하였다. 그런 다음, Zn<sup>2+</sup> 이온이 포함된 자연상태의 탄산탈수 효소의 중간단계와 비교 분석하여, Zn<sup>2+</sup> 이온이 양성자 전달 경로에 어떠한 영향을 미치는지 세밀히 밝혀내었다. 2) Co<sup>2+</sup>, Ni<sup>2+</sup>, Cu<sup>2+</sup> 등 다른 이온으로 대체된 탄산 탈수 효소의 중간단계 연구 이 연구에서는 Zn<sup>2+</sup> 이온을 제거한 활성부위에 Co<sup>2+</sup>, Ni<sup>2+</sup>, Cu<sup>2+</sup> 이온 등 다른 이온을 주입하여, 단백질의 효소 활성이 수십배에서 수백배 낮아지는 상태를 유도한 이후, CO<sub>2</sub> 분자를 주입하고 CO<sub>2</sub> 분자가 빠져나가는 동안 활성부위의 양성자 전달 경로(proton transfer network)가 복원되는 과정을 분석하였다. 그런 다음, 위에서 얻어진 자연상태 및 Zn<sup>2+</sup> 이온이 제거된 탄산탈수효소의 결과와 비교 분석하여, Zn<sup>2+</sup> 이외의 이온들이 활성부위에서 보여주는 효과를 밝혀낸다. 3) 활성부위에 아미노산 변이(mutation)를 유도한 탄산탈수 효소의 중간단계 연구 이 연구에서는 탄산탈수 효소의 활성 부위에 위치한 143번째 아미노산기에 변이를 유도하고 (Valine을 Isoleucine으로 대체) 이렇게 변이된 탄산탈수 효소에서 CO<sub>2</sub> 분자가 빠져나가는 동안 활성부위의 양성자 전달 경로(proton transfer network)가 복원되는 과정을 분석하였다. 이렇게 얻어진 결과를 변이가 없는 자연상태와 비교하여 Zn<sup>2+</sup> 이온 주변의 변화가 효소반응의 동역학에 미치는 영향을 연구하였다. 위의 연구는 성공적으로 진행이 되었으며, 2편의 논문으로 출판되었다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 연구의 결과는 탄산탈수 효소의 촉매작용을 심층적으로 연구함으로서, 단백질의 작용원리를 물리적인 관점에서 재해석하는 심도있는 추가 연구의 중요한 시발점이 될 것으로 예상된다. 또한 이 연구는 금속 이온들을 필요로 하는 다른 metalloenzyme들의 작용 원리에도 새로운 통찰력을 제공하여, 금속 이온의 물리적 역할을 찾는 후속 연구의 기준점이 될 것으로 예상된다. 마지막으로 본 연구는 단백질 공학을 적용한 탄산탈수효소를 이용한 이산화탄소 포집 등에도 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
