의학과김경규 교수팀, 소염제 합성을 위한 바이오 촉매 개발 성공
- 단백질 구조에 기반한 단백질공학 연구 통해 효소 활성 개선 -

(그림1) 성균관대학교 김경규 교수 (왼쪽)와 연구 제1저자인 오창석 박사 (오른쪽)

의학과 김경규 교수(항생제내성 치료제 연구소 소장) 연구팀이 토양 미생물에서 발굴한 단백질 효소 Est-Y29의 삼차원 입체구조를 밝히고, 구조에 기반한 단백질 공학연구를 통해 외용소염제의 주요 원료 중 하나인 케토프로펜을 효과적으로 합성할 수 있는 환경 친화적인 바이오촉매를 개발하는데 성공하였다고 밝혔다. 또한 이 연구결과를 촉매분야 최고 권위지인 미국화학회 카탈리시스(ACS Catalysis)에 발표했다고 덧붙였다.

의약품과 같은 정밀화학물질 생산은 화학합성법을 통해 이루어져왔으나 일부 과정에서 유해물질이 사용 또는 발생되며 경제적 비효율성으로 인해 이를 대체할 수 있는 친환경적인 바이오촉매를 활용한 접근이 필요하다.

바이오촉매로 사용되는 단백질 효소는 기질특이성, 반응특이성, 입체특이성을 지니고 있어 복잡한 화학적 합성과정을 거치는 공정을 대체 또는 단축할 수 있을 뿐 아니라, 상온 상압에서 수용액을 이용한 합성이 가능하다. 따라서 화학적 합성과정에서 생기는 부산물이나 유해 폐기물 발생이 낮아 지속가능한 녹색화학의 중요한 대체제로 각광받고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 열에 불안정하며 유기용매에 활성도가 떨어지는 단점이 있기 때문에, 이러한 단점을 극복할 수 있는 바이오촉매의 개발이 시급하고, 이러한 촉매개발을 위해 기존의 효소를 단백질 공학적으로 개선하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 

케토프로펜은 비스테로이드성 소염제(NSAID)로 진통 및 해열 작용이 있으며 주로 골관절염 또는 류마티스 관절염 등에 의해 유발되는 염증 및 통증 완화에 이용된다. 따라서 파스나 젤과 같은 외용 진통제의 주요성분으로 많이 사용되고 있다. 케토프로펜은 S형과 R형 두 종류의 입체 이성질체가 존재하며 S형의 약효가 더 뛰어나다. 미국 식품의약품안전청 (FDA)은 이성질체가 존재하는 의약품의 경우 단일형의 생산 방침을 명시하고 있다. 따라서 S형 케토프로펜의 순도 높은 분리가 요구된다.

연구팀은 국내 토양에서 추출한 메타게놈 라이브러리로부터 얻은 에스터결합 가수분해효소(에스터레이즈)인 Est-Y29와 S형 케토프로펜이 결합되어 있는 복합체의 삼차원 고해상도 구조를 X선 결정학적인 방법으로 규명함으로써, 효소의 기질 결합 부위에 있는 방향성(aromatic) 아미노산들과 S형 입체이성질체 케토프로펜 전구체와 결합이 효소의 기질 선택성과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 효소의 삼차원 구조로부터 밝혀진 정보를 바탕으로 효소의 기질결합 부위의 방향성을 증가시키는 단백질 공학적 연구를 통해 S형 케토프로펜에 대한 선택성이 야생형에 비해 5배 이상 증가된 새로운 효소를 개발하는데 성공하였다. 

(그림2) Est-Y29의 입체 이성질체에 대한 특이성 원리

(그림3) Est-Y29 F125W에서 S형 케토프로펜 생성 증가

단백질 공학적인 접근을 통해 새로운 효소를 개발하거나, 효소의 활성을 개선하는 방법은 (1) 올해 노벨 화학상을 수상한 유도된 진화 (directed evolution) 방법과 (2) 단백질 구조에 기반한 합리적 설계 방법(rational design)이 있다. 합리적 설계 방법은 해당 단백질의 구조와 메커니즘을 알아야 적용 가능한 방법이지만 일단 구조정보가 얻어진 경우, 보다 효율적인 접근이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구는 합리적 설계방법을 이용하여 성공적으로 단백질의 기능을 증대시킨 주요 사례로 여겨진다.

김경규 교수는 “본 연구에서 단백질의 삼차원 구조에 기반한 단백질 공학적 접근을 통해 화학적 촉매를 대체할 수 있는 바이오촉매를 개발하였고, 이를 통해 케토프로펜같이 유효한 의약품을 친환경적으로 생산할 수 있는 가능성을 제시하였다”, 라고 연구의 의의를 설명하였다.

본 연구는 숙명여자대학교 김두헌 교수, 성균관대학교 양정운 교수, 서울대학교 석차옥 교수, 영국 사우스햄튼대학교의 이승서 교수 연구팀과의 공동연구로 이루어졌다.

이 연구는 농촌진흥청 차세대바이오그린21사업 및 한국연구재단의 지원으로 수행되었다. 이 연구는 12월 24일 촉매분야 국제학술지 미국화학회 카탈리시스(ACS Catalysis)에 온라인으로 게재되었다.