고기능 생체소재 개발 가능한 비막성 미세소낭 구조체 형성 기작 규명
의료용으로 활용 가능한 비막성 미세소낭 구조체* 제조 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
* 비막성 미세소낭 구조체(membrane-less vesicle-like compartment) : 내부와 외부환경을 구분하는 별도의 막이 없이 물질을 담고 전송하거나 특정 기능을 수행할 수 있는, 세포 내에서 발견되는 소낭(소포) 형태의 구조체를 말한다.
한국연구재단은 충남대학교 최유성 교수 연구팀(제1저자, 최현석 박사과정)이 황동수 교수(포항공과대학교) 연구팀 및 조엔-앰마 세아(J.-E. Shea) 교수(캘리포니아주립대학교 산타바바라) 연구팀과 공동으로 무정형단백질 GG1234를 활용해 비막성소기관*의 대표적 형태 중 하나인 미세소낭 구조체를 제조, 이 구조체의 형성 기작을 상세히 규명했다고 밝혔다.
* 비막성소기관(membrane-less organelle) : 세포소기관에는 막구조를 하는 막성소기관과 리보솜, 핵소체, 스트레스 과립(stress granule)과 같이 막구조가 없는 비막성소기관이 존재하는데 일반적으로 세포소기관은 막성소기관을 말한다.
세포는 세포소기관 외에도 막이 없는 비막성소기관을 활용하여 물질의 수송, 생화학 반응, 전사와 번역의 조절, 스트레스 대응, 신호 전달 등 다양한 생명현상을 효율적으로 수행한다는 것이 밝혀지고 있지만, 관련 연구는 아직 초기 단계다.
최근 들어 무정형단백질이라 불리는 특정한 3차 구조를 갖지 않는 단백질이 비막성소기관을 형성하고 조절하는 데 중요하게 관여한다는 사실이 점차 드러나고 있으며, 이와 함께 무정형단백질을 활용한 생체소재 개발에 대한 관심도 높아지고 있다.
이에 연구팀은 타겟 단백질인 골형성단백질 bhBMP-2와 GG1234의 상호작용을 통해 비막성 미세소낭 구조체를 제조했으며, 그 형성 메커니즘을 다양한 실험과 동역학적 분자모델링 시뮬레이션을 바탕으로 상세히 규명하는 데 성공했다.
GG1234의 단순 코아세르베이션(coacervation)*에 의해 구형의 액적**이 형성되고 여기에 bhBMP-2가 추가하면, bhBMP-2가 내부로 침투하면서 액적 표면에서부터 GG1234/bhBMP-2 복합 코아세르베이션이 형성된다. 연구팀은 이 과정을 통해 액적의 형태가 코어-쉘 구조의 미세소낭 형태로 스스로 변화하고, 쉘 영역이 고체상으로 상전이되면서 비막성 미세소낭 구조체가 만들어진다는 것을 확인했다.
* 코아세르베이션(coacervation) : 하나의 고분자 용액이 물리적 혹은 화학적 조건 변화에 따라 액체-액체 상분리 현상에 의해 고농도의 고분자 용액 상과 희석된 용액 상으로 자발적으로 나누어지는 현상을 의미한다.
** 액적 : 동그란 방울 모양의 액체.
*** 코어-쉘(core-shell) 구조 : 서로 다른 물질로 이뤄진 코어(알맹이)와 쉘(껍데기)가 맞붙은 구조.
최유성 교수는 “이번 연구성과는 무정형단백질을 기반으로 비막성소기관이 어떻게 형성되고 조절되는지에 대한 과학적인 단서와 직관을 제공하고 있다”며, “향후 비막성 미세소낭 구조체 형성을 통한 고기능 생체소재의 개발이 기대된다”고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원 사업으로 수행된 이번 연구성과는 화학/소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 12월 8일 게재되었다.
주요내용 설명
<작성 : 충남대학교 최유성 교수>
논문명 Spontaneous Transition of Spherical Coacervate to Vesicle‐Like Compartment
저널명 Advanced Science
키워드 coacervation(코아세르베이션), intrinsically disordered protein (무정형단백질), membrane-less biomolecular compartments (비막성 생체분자 구조체), vesicle-like structure (미네소낭 구조)
DOI 10.1002/advs.202305978
저 자 최유성 교수(교신저자/충남대학교), 최현석 박사과정(제1저자/충남대학교), 홍유리 박사(제2저자/포항공과대학교), 사히드 나자피(Saeed Najafi) 박사(제3저자/캘리포니아주립대학교 산타바바라), 김선영 석사(제4저자/충남대학교), 조엔-앰마 세아(Joan-Emma Shea)교수(공동교신저자/캘리포니아주립대학교 산타바바라), 황동수 교수(공동교신저자/포항공과대학교)
1. 연구의 필요성
○ 세포는 세포소기관 뿐만 아니라, 막이 없는 비막성소기관(MLO; membrane-less organelle)을 활용하여 효율적으로 생명현상을 유지한다. 그러나 비막성소기관에 대한 연구는 아직까지 초기단계여서, 최근 무정형단백질(IDP; intrinsically disordered protein)이라 불리는 단백질과 액체-액체 상분리 현상이 비막성소기관의 형성과 조절과정에서 중요하게 부각되고 있지만 이에 대한 이해는 매우 부족하다.
○ 무정형단백질은 특정한 3차 구조를 갖지 않아 구조단백질에 비하여 연구가 상대적으로 미미하였으나, 최근 무정형단백질의 역할이 서서히 밝혀지면서 비막성소기관의 형성과 조절에 대한 이해도 점차 증대되고 있다.
○ 비막성소기관은 무정형단백질에 기반 한 생체분자들이 환경 변화에 따라 액체-액체 상분리를 통해 다양한 형태로 만들어져, 물질의 수송, 생화학 반응, 전사/번역의 조절, 스트레스 대응, 신호전달 등에 기여하는 것으로 밝혀지고 있다.
○ 또한, 최근 이러한 비막성소기관의 흥미로운 특성에 영감을 얻어 새로운 생체소재의 개발이 추진되고 있고, 인공적으로 무정형단백질을 설계하고 개발하여 마이크로리엑터시스템, 인공세포를 포함한 합성생물학 도구 및 약물전달체 등의 응용분야에 활용하는 연구에 관심이 증대되고 있다.
2. 연구내용
○ 연구팀은 유전자재조합을 통해 골형성단백질 bhBMP-2를 준비하고 연구실에서 개발된 인공 무정형단백질 GG1234를 활용하여, 액체-액체 상분리에 기반한 자기조립으로 코어-쉘 형태의 비막성 미세소낭 구조체(membrane-less vesicle-like compartment)를 제조하였고, 그 형성 메커니즘을 다양한 실험과 동역학적 분자모델링 시뮬레이션을 바탕으로 상세히 규명하였다.
○ 구체적으로, bhBMP-2와 GG1234 단백질로 구성된 비막성 미세소낭 구조체의 형성은, GG1234 단순 코아세르베이트를 먼저 형성한 후 bhBMP-2를 추가하였을 때 구형 액적의 형태가 시간에 따라 코어-쉘 형태로 재배열되어 변화하고 쉘 영역이 고체상으로 자발적으로 전이되면서 이루어졌다.
○ 이러한 현상은 GG1234 단순 코아세르베이트의 표면에 결합한 bhBMP-2가 내부로 침투하면서 단순 코아세르베이트를 불안정화시키고 표면에서부터 GG1234/bhBMP-2 복합 코아세르베이트가 자발적으로 형성되면서 안정적인 쉘 영역을 만들고, 쉘 영역이 점차 고체상으로 전이되면서 구조체가 안정화되는 것으로 판단되었다.
3. 연구성과/기대효과
○ 최근 세포를 구성하는 단백질의 50%에 달하는 무정형단백질과 비막성소기관에 대한 관심이 증대되고 있으나, 특성 및 기작에 대한 연구는 여전히 초기 단계이다. 본 연구를 통해 제안된 인공 무정형단백질 기반의 자발적 액체-액체 상분리 및 액체-고체 상전이를 통한 코어-쉘 형태의 비막성 미세소낭 구조체 형성의 메커니즘은 무정형단백질을 기반으로 세포 내에서 비막성소기관이 어떻게 형성되고 조절되는지를 이해하는 여러 과학적인 단서와 직관을 제공할 것으로 기대된다.
○ 또한, 타겟 단백질로 활용된 인간 골형성 단백질 hBMP-2는 골과 연골의 형성과 재생을 촉진하는, FDA 승인을 받은 복합기능의 성장인자로 정형외과, 치과 등 다양한 분야에서 활용되나, 대부분의 적용 부위에서 주입 초기에 빠르게 응집되거나 방출되어 경우에 따라 부작용을 초래하기도 하고, 뼈 형성에 관여하기 이전에 빠르게 생분해되어 사라지는 경향이 보고되고 있다. 본 연구에서 개발된 인공 무정형단백질 기반의 비막성 미세소낭 구조체로 hBMP-2 단백질의 제형화를 진행할 경우, 잠재적으로 하나의 효율적인 약물전달체로써 활용될 수 있을 것이며 종래의 hBMP-2 사용의 어려움을 극복하면서 다양한 응용분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
골형성단백질 bhBMP-2와 인공 무정형단백질 GG1234에 의한 비막성 미세소낭 구조체 형성은 다음 단계를 통해 진행된다.
1) bhBMP-2 없는 환경에서 GG1234의 단순 코아세르베이션에 의한 구형의 고점도 액적 형성
2) bhBMP-2 첨가에 따른 GG1234와의 복합 코아세르베이션에 의한 코아-쉘 구조를 갖는 미세소낭 형태로의 액적 재배열
3) 쉘 영역의 고체-액체 상전이를 통한 비막성 미세소낭 구조체 형성
그림설명 및 그림제공 : 충남대학교 최유성 교수
연구 이야기
<작성 : 충남대학교 최현석 박사과정>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
최근 단백질 연구에서는, 기존의 구조-기능 관계의 이해에서 확장되어 서열-기능으로 새로운 패러다임이 제시되고 있다. 여러 형태의 기능적 서열을 보유하는 단백질들의 세포 내 거동이 밝혀지고 있지만, 아직 많은 부분이 비밀리에 감춰져 있다. 이러한 시대적 흐름에 맞춰서, 비구조적 단백질의 세포 내 기능적, 활용적 역할에 관한 연구를 진행하고자 실험을 준비하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
연구에 활용된 단백질인 GG1234는 고정된 3차원적인 구조를 갖추기 힘든 무정형의 단백질로서, 서열-기능에 관한 연구를 수행하기에 좋은 모델이 될 것으로 생각하였고, 다양한 환경 조건에서의 단백질의 거동을 확인하게 되었다. 그 결과 GG1234는 낮은 pH 영역에서 자가조립(self-assembly) 및 양이온성 단백질과 복합 코아세르베이트를 형성한다는 사실을 확인하게 되었다. 특히, 양이온성 단백질인 bhBMP-2와의 복합 코아세르베이트에서는 일반적인 코아세르베이트의 형태에서는 드물지만, 세포 내 소기관에서는 대표적으로 볼 수 있는 형태인 코어-쉘 구조를 보여주었고, 이에 따라 형성 메커니즘을 규명하고자 하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
연구 초기 단계에서 GG1234의 단백질 생산과정에 문제, bhBMP-2의 낮은 용해도로 인한 단백질 침전문제가 발생하였지만, 단백질의 정제과정에서 사용되는 여러 가지 완충 용액들을 하나씩 변경해가며 실험을 진행하였고, 수많은 시행착오를 통해 고효율의 단백질 정제 방법을 정립하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
최근 보고되는 많은 연구에서 다양한 종류의 비막성 세포소기관의 기능과 역할을 제시하고 있고, 일부 비막성 세포소기관은 시험관 내에서 재현되기도 하였다. 하지만, 비막성 세포소기관은 아직 많은 부분이 밝혀지지 않은 연구 초기 단계의 주제이다. 이런 관점에서, 이번 연구는 세포 내에서 흔하게 볼 수 있는 코어-쉘 구조를 코아세르베이션 현상을 이용해 재현함으로써, 비막성 세포소기관 형성 메커니즘을 규명한 점에서 의의가 있다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
hBMP-2의 경우 이미 FDA의 승인을 받은 골 형성에 관여하는 성장인자이다. 따라서, bhBMP-2로 만들어진 코어-쉘 구조는 골 형성을 위한 약물의 전달체의 역할을 할 수 있을 것이다. 특히, 코어 영역에 약물을 담지하기 위한 연구가 진행된다면 골 형성을 위한 약물 전달체로써 활용 가능성이 더욱 커질 것으로 보인다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
약물 전달체로 활용하기 위한 코어-쉘 구조의 크기를 조절하거나, 내부 코어에 원하는 약물을 담지하는 연구를 진행하고자 한다.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(한국연구재단) 등록일2023.12.12