광주과학기술원 연구팀이 밝혀낸 효소 PssA와 기질 CDP-DG 복합체의 구조. GIST 제공

광주과학기술원 화학과 김정욱(왼쪽) 교수와 이은주 박사과정 학생. GIST 제공

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

현재까지 박테리아 세포막의 안정성 유지에 기여하는 ‘PssA 단백질’과 막의 구성성분 중 하나인 인지질 복합체의 고해상도 구조에 대해 알려진 바가 없는데 김 교수 연구팀이 해당 복합체의 공결정 구조를 규명함으로써 새로운 기전의 항생제 개발에 기여할 것으로 기대된다.

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

외재성 막단백질인 PssA의 작용 메커니즘은 기질과의 복합체 구조 부재로 인해 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 및 친수성 영역이 특정 아미노산 잔기들과 결합하는 것을 확인했다.

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

연구팀은 PssA는 활성 상태일 때는 막에 결합하여 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 개발뿐만 아니라 세균의 인지질 균형 조절에 관한 새로운 연구 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

김 교수가 지도하고 이은주 박사과정생이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌선도연구센터(IRC) 지원사업과 첨단 바이오 대형장비 공동활용 체계 구축 사업의 지원을 받았으며, 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난해 12월 18일 온라인 게재됐다.