GIST, 박테리아 생존 매커니즘 규명···“新기전 항생제 개발 기대”

연구팀이 밝혀낸 효소 PssA와 기질 CDP-DG 복합체의 구조. [사진=GIST]

[이뉴스투데이 이승준 기자] 광주과학기술원(GIST)은 화학과 김정욱 교수 연구팀이 박테리아 생명현상의 핵심인 세포막 합성 과정에 관여하는 효소의 화학적 변형 및 분자적 메커니즘을 규명했다고 2일 밝혔다.

연구팀은 효소(PssA)와 인지질(CDP-DG)의 고해상도 공결정 구조를 X-선 결정학을 통해 기질이 결합하는 부위를 정확히 파악함으로써 효소의 활성화 메커니즘을 규명했다.

생화학 분야에서 X-선 결정학은 단백질의 3차원 구조를 규명하는 강력한 도구로 이용되지만, 고순도 단백질의 결정 생성과 안정성 확보가 어렵다는 한계가 있다. 특히 막단백질은 친수성(親水性, hydrophilic)·소수성(疏水性, hydrophobic) 영역의 복잡한 특성 때문에 구조 분석이 더욱 까다롭다.

따라서 생체 분자의 구조가 등록돼 있는 데이터베이스(Protein databank, PDB)에 등록된 전체 단백질 구조 중 막단백질 구조는 약 2~3%에 불과하며, 이 중에서도 외재성 막단백질*의 구조는 더욱 제한적이다.

외재성 막단백질인 PssA의 작용 메커니즘은 기질과의 복합체 구조 부재로 원자 수준에서 이해하는 데 한계가 있다. 이를 위해 연구진은 효소의 활성 기능을 멈추거나 낮추는 ‘점 돌연변이’를 도입해 인지질과의 복합체 구조를 성공적으로 결정화했다.

그 결과, 인지질이 효소의 활성 부위에서 상호작용하며 인지질의 소수성·친수성 영역이 특정 아미노산 잔기들과 결합하는 것을 확인했다.

PssA가 단량체와 이량체 형태로 존재한다는 사실도 발견했다. 특히 단백질 표면의 특정 소수성 아미노산이 이량체 형성에 중요한 역할을 하며, 이 부위를 변형하면 단백질이 단량체로만 존재하게 된다는 것을 입증했다.

나아가 분자 동역학 시뮬레이션과 돌연변이 실험을 통해 PssA의 양전하를 띠는 특정 잔기들이 음전하를 띠는 세포막과 결합(양전하인 PssA잔기와 음전하인 세포막이 결합)함을 확인했다. 이를 통해 단백질-세포막 상호작용의 메커니즘을 더 깊이 이해했으며, 특정 지질에 대한 선호성을 밝혀냈다.

연구팀은 PssA는 활성 상태일 때는 막에 결합해 인지질을 합성하고, 잠재 상태에서는 막에서 떨어져 세포질에 머물면서 합성을 지연시킨다는 사실을 밝혀냈으며, 이는 세포 내 지질 조절과 관련된 복잡한 생화학적 과정을 이해하는 데 기여한다고 설명했다.

김정욱 교수는 “이번 연구는 세균의 중요한 인지질 합성 효소인 PssA의 구조와 기능에 대한 새로운 이해를 제공하며, 단백질-지질 상호작용과 세포막 결합 메커니즘을 밝혀냈다는 데 의의가 있다”며 “항생제 개발뿐 아니라 세균의 인지질 균형 조절에 관한 새로운 연구 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.