신종식 교수 연구팀, 반응경로 재설계 통한 효소개량법 개발

세계적 학술지 ‘ACS 캐털리시스’에 연구 결과 게재

신종식 교수(생명공학과) 연구팀이 컴퓨터 모델링을 이용한 트랜스아미네이스의 반응경로 재설계기법을 고안함으로써 다양한 의약품 중 간체로 쓰이는 광학활성아민의 제조에 최적화된 효소변이체를 개발하는 방법을 개발했다.

광학 이성질체란 두 분자가 서로 거울 대칭인 관계에 있을 때를 지칭하는 용어로 왼손과 오른손의 관계처럼 서로 모양이 똑같지만 거울에 비친 것처럼 서로 겹쳐지지 않는다. 이러한 거울에 비친 관계에 있는 물질들은 물리·화학적으로 동일한 특성을 가지고 있어 동일한 물질로 오해하기 쉽지만 생물학적으로는 상이한 효과를 나타내는 경우가 많다. 대표적인 예가 1950년대 후반 입덧치료제로 사용되었던 탈리도마이드(Thalidomide)이다. 광학 활성 물질인 탈리도마이드는 2개의 이성질체 중 한쪽이 입덧 진정효과를 나타내는 반면에 다른 한쪽은 혈관생성을 억제하는 부작용을 나타내는데, 당시엔 이를 구분하지 않고 복용하여 수많은 기형아가 태어나는 심각한 부작용을 초래했다.

이러한 광학 활성 물질의 양면성 때문에 제약산업에서는 이를 구분하여 광학적으로 순수한 형태로 물질을 생산하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 최근에는 생명체가 사용하는 촉매제인 효소를 사용하기도 하는데, 이 경우 기존의 화학촉매제를 이용한 합성방법보다 더 효율적이고 친환경적으로 광학 활성 물질을 생산할 수 있어 화학적 합성법의 대안으로 여겨지고 있다. 하지만 위와 같은 효소 개량을 위해선 오랜 연구기간과 막대한 연구비용이 필요하기 때문에 실제 상용화하여 사용하기에는 어려움이 있었다.

생명공학과 신종식 교수 연구팀은 컴퓨터 모델링에 기반한 방법을 통해 기존의 방법보다 손쉽게 효소를 개량할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 트랜스아미네이즈는 단일 단계로 광학활성아민을 생산할 수 있어 큰 주목을 받고 있지만, 케톤 전구체에 대한 낮은 반응성이 산업화에 걸림돌로 여겨져 왔다. 연구팀은 컴퓨터 모델링을 통해 트랜스아미네이즈의 작용기작을 파악하고, 이를 기반으로 한 반응경로 재설계기법을 고안함으로써 천연 트랜스아미네이즈가 매우 낮은 반응성을 보이는 부티로페논과 같은 케톤에 대해 반응성이 100,000배 이상 증대되도록 효소를 개량하는 데 성공했다.

연구팀이 제안한 방법은 효소의 작용기작을 기반으로 효소 개량에 필수적인 부위에 대해서만 엔지니어링을 하기 때문에 효소의 유용한 성질은 유지하면서도 목적한 광학 활성 아민의 생산을 가능하게 하는 장점이 있다. 신종식 교수는 “이번 연구 결과를 통해 산업적으로 요구되는 효소의 구조기반 엔지니어링이 효율적으로 가능하게 되어 기존의 천연효소로는 불가능했던 다양한 광학활성아민의 생산공정 개발이 가능할 수 있을 것”이라고 설명했다.

한편, 본 연구에서 트랜스아미네이스의 X-ray 구조 분석은 시스템생물학과 조현수 교수팀과의 협력연구를 통해 이루어졌다. 한국연구재단미래창조과학부의 지원을 받아 수행된 본 연구성과는 화학분야 세계적 권위의 학술지인 ‘ACS 캐털리시스(ACS Catalysis)’에 지난 6월 2일 게재됐다.