UNIST·홍익대·DGIST, 세포 속 생체분자 '뭉침' 원리 규명

(울산=뉴스1) 김세은 기자 = 세포질을 떠다니는 단백질과 RNA 등이 모여 생기는 생체분자 응축체의 형성 원리를 이해할 단서가 나왔다.

울산과학기술원(UNIST) 이동욱 교수팀은 홍익대학교 최수형 교수팀, DGIST 허수미 교수팀과 함께 단백질을 모방한 합성 소재에서 분자에 달린 결합 부위인 '스티커'가 많을수록 더 약한 결합만으로도 응축체가 만들어진다는 사실을 규명했다고 6일 밝혔다.

생체분자 응축체는 세포 안을 떠다니던 단백질과 RNA 등이 한곳에 모여 생긴 작은 액체 방울이다. 별도의 막 없이도 반응에 필요한 물질을 모아 세포 안에서 일어나는 여러 반응을 조절하게 된다.

대표적으로는 바이러스 DNA와 이를 감지하는 단백질이 모여 만드는 응축체가 있다. 이 안에 효소와 반응 재료가 모이면 면역 신호 물질을 만드는 반응이 활발해진다.

이러한 응축체가 언제, 어떻게 생기는지 알려면 분자의 어떤 부분이 뭉침을 좌우하는지 알아야 한다. 하지만 실제 단백질과 같은 생체분자는 구조가 복잡해 각 부분의 역할을 구분하기 어렵다.

연구팀은 복잡한 생체분자가 뭉치는 과정을 단순하게 살펴볼 수 있는 실험 모형을 만들었다. 긴 사슬 모양의 합성 분자에 서로 달라붙는 '스티커'와 그 사이를 채우는 '스페이서'를 함께 배치한 구조다.

스티커는 단백질 아미노산의 일종인 아르기닌의 화학 구조 중 '구아니디늄' 부분을 본뜬 것이며, 스페이서는 다른 아미노산인 '라이신'의 일부 구조를 본뜬 것이다.

스티커의 평평한 부분들이 서로 포개지듯 가까워지면 끌어당기는 힘이 작용한다. 이 스티커끼리 붙으면 사슬이 오므라들고, 서로 다른 사슬의 스티커끼리 붙으면 여러 사슬이 연결돼 뭉친다.

연구팀은 사슬 길이는 같게 두고 스티커 수와 물속 소금 농도를 바꿔, 사슬의 모양과 분자들이 뭉치는 조건을 비교했다. 소금 농도를 달리한 것은 물속의 염 농도가 분자 사이의 상호작용에 영향을 주기 때문이다.

실험 결과, 스티커가 많을수록 더 낮은 소금 농도에서도 분자들이 모여 액체 방울을 만들었다. 액체 속에서 성분이 다른 액체 방울이 생기는 '액체-액체 상분리'가 더 쉽게 일어난 것이다.

개별 분자 사슬이 펼쳐진 상태에서 오므라드는 변화도 더 낮은 소금 농도에서 나타났다. 붙을 자리가 많으면 각각의 결합이 상대적으로 약해도 사슬이 수축하고 여러 사슬이 모일 수 있다는 의미다.

같은 소재를 입힌 두 표면을 물속에서 맞붙였을 땐 반직관적인 결과가 나왔다. 스티커가 많은 소재에선 스티커끼리 붙는 힘이 강해질수록 두 소재층이 오히려 덜 달라붙은 것이다.

연구팀은 각 층 안에 밀집한 분자 사슬들이 먼저 서로 결합하면서, 맞은편 층과 연결될 스티커가 줄었기 때문으로 해석했다. 분자 시뮬레이션에서도 결합이 강해질수록 바깥으로 노출되는 스티커가 감소했다.

공동연구진은 "단백질의 결합 특성을 닮으면서도 결합 부위의 수와 붙는 힘을 쉽게 조절할 수 있다"며 "생체분자 응축 현상을 이해하는 기초 연구뿐 아니라 자극 감응성 연성 소재, 습윤 접착제, 수중 코팅 개발 분야에도 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다

이번 연구는 한국연구재단 미래도전연구지원사업, 이공분야개인기초연구사업(중견), 한국화학연구원 기본사업, 방위사업청·산업통상자원부의 민군기술협력사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 지난 8월 18일 게재됐다.

syk000120@news1.kr