박테리아 생존 비결 찾았다…새 항생제 나올까

(왼쪽부터) 김정욱 광주과학기술원(GIST) 화학과 교수와 이은주 박사과정생. GIST 제공.

박테리아의 생명 유지에 필수적인 ‘세포막’이 안정적으로 유지되도록 만드는 단백질·인지질 복합제 구조가 규명됐다. 새로운 항생제를 개발하는 데 참조가 될 것으로 기대된다. 

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

박테리아의 생명 유지에 필수적인 세포막의 안정성은 포스파티딜세린 합성 효소(PssA)와 막 구성성분인 인지질 복합체로 유지된다. PssA는 세포 생존과 신호 전달에 필수적인 역할을 한다. 

연구팀은 X-선 결정학을 통해 PssA와 인지질 복합체의 고해상도 공결정 구조를 규명했다. 공결정은 두 가지 이상의 분자가 특정한 비율로 결합해 규칙적인 결정 형태를 이룬 구조다.  

생화학 분야에서 X-선 결정학은 단백질의 3차원 구조를 규명하는 강력한 도구지만 막단백질은 친수성, 소수성 영역의 복잡한 특성 때문에 구조 분석이 까다롭다. 이로 인해 생체 분자 구조 데이터베이스에 등록된 단백질 구조 중 막단백질 구조는 2~3%에 불과하다. 특히 외재성 막단백질 구조 분석이 제한적으로 이뤄지고 있다. 

PssA는 외재성 막단백질이다. 외재성 막단백질은 세포막 인지질이나 내재성 막단백질과 상호작용해 간접적으로 막에 연접하는 단백질이다. PssA의 작용 메커니즘은 원자 수준에서 이해하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 효소의 활성 기능을 멈추거나 낮추는 ‘점 돌연변이’를 도입해 PssA와 인지질 복합체 구조를 성공적으로 결정화했다. 

인지질은 효소의 활성 부위에서 상호작용하고 인지질의 소수성 및 친수성 영역이 특정 아미노산 잔기들과 결합된다는 점이 확인됐다. 

PssA의 구조 단위는 단량체(단일 단위체)와 이량체(두 단위체의 결합) 형태로 존재한다는 사실도 발견됐다. 단백질 표면의 특정 소수성 아미노산이 이량체 형성에 중요한 역할을 하며 이 부위를 변형하면 단백질이 단량체로만 존재한다는 점이 입증됐다. 

분자 동역학 시뮬레이션과 돌연변이 실험을 통해 PssA의 양전하를 띠는 특정 잔기들이 음전하를 띠는 세포막과 결합한다는 점도 확인됐다. 분자 동역학 시뮬레이션은 분자 구조 및 메커니즘을 예측하는 데 사용되고 돌연변이 실험은 단백질 기능이나 구조를 연구하는 데 쓰인다. 

연구팀은  PssA는 활성 상태일 때 막에 결합해 인지질을 합성하고 잠재 상태에서는 막에서 떨어져 세포질에 머물면서 합성을 지연시킨다는 사실을 밝혀냈다. 이는 세포 내 지질 조절과 관련된 복잡한 생화학적 과정을 이해하는 데 도움이 될 것으로 보인다.

김 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 개발과 세균의 인지질 균형 조절에 관한 새로운 연구 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 논문은 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 지난달 18일 온라인 게재됐다.

<참고 자료>
doi.org/10.1126/sciadv.adq4624

[문세영 기자 moon09@donga.com]