효소-전극 접합을 위한 혁신적 단백질 공학 접근법. GIST 제공

국내 연구진이 혈당 측정 바이오센서와 같이 효소 연료전지를 통한 전기 생산이나 효소 기반 물질 전환 등에 응용되는 ‘효소-전극 시스템’의 설계 가이드라인을 제시했다.

광주과학기술원(GIST)은 환경·에너지공학부 장인섭 교수 연구팀이 ‘효소-전극 시스템’ 설계 가이드라인과 효율 향상을 위한 최신 단백질 공학 기술 도입법을 제시한 리뷰논문이 국제학술지 셀(Cell)의 자매지 ‘트렌드 인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology)’에 게재됐다고 6일 밝혔다.

효소의 특이적 촉매 작용과 전극의 전기화학적 특성을 결합한 ‘효소-전극 시스템’은 생체 분자를 전기 신호로 변환하거나 전기 신호로 효소 반응을 유도한다. 이는 효소를 활용한 전기 생산 또는 물질 합성을 위한 생체모방 기술의 핵심 요소로 주목받고 있다.

‘효소-전극 시스템’의 성능을 좌우하는 핵심 요소는 효소와 전극 사이 계면에서의 효율적인 전자전달이다. 기존에 설계된 효소 접합 전략은 단백질 구조, 표면 전하, 보조인자 특성 등을 충분히 고려하지 못하여 효소의 촉매 활성을 지속적으로 유지하고, 효소 보조인자와 전극 간의 정밀한 계면을 형성하는 데 한계가 있다.

연구팀은 고체 결합성 펩타이드 방식, 효소 매개 펩타이드 결합 방식, 리간드 상호작용 활용 방법 등 다양한 효소-전극 계면 접합 기술을 비교 분석하고, 전자전달 메커니즘에 따라 효소-전극 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 최신 단백질 공학 기술 및 도입 방안을 제시했다.

연구팀은 단백질 공학 기반 효소-전극 접합 기술을 효소와 전극의 계면에서 고정화에 작용하는 원리를 기반으로 △단백질-단백질 △단백질-리간드 △단백질-고체 물질간 상호작용의 큰 틀로 분류하고, 학계에서 현재까지 개발되어 주로 사용되는 효소 접합 방법을 비교했다.

특히 최신 단백질 공학적 기법을 활용한 효소 접합을 통해 높은 효율의 효소-전극 시스템 설계 전략을 제시해 향후 효소 기반 생체전자학 시스템의 개발과 활용을 위한 표준 매뉴얼이 될 것으로 기대된다.

장인섭 교수는 “이번 논문은 효소-전극 시스템에서 계면 전자전달 효율 향상에 중요한 기술인 효소 고정화 기술을 단백질 공학적 측면에서 심층적으로 다루어 효소 기반 바이오일렉트로닉스(Bioelectronics)의 설계 방향성을 제시했다”며 “향후 효소-전극 플랫폼을 더욱 발전시킨다면 바이오마커 또는 환경 유해 물질의 모니터링, 바이오 연료전지, 물질 생합성 등 다양한 분야에서 사용할 수 있는 실용적 기술이 될 것”이라고 말했다.