FCS에 STED 접목
 우레아제 움직임 관찰
 효소, 기질 적은쪽 이동
‘달리기와 뒹굴기’ 반복 확인
 美 PNAS 온라인판 게재

효소가 방향성을 갖고 움직인다는 연구 결과가 발표됐다. 그동안 효소는 무작위 방향으로 운동하며 확산한다고 여겨졌던 만큼 기존 가설을 뒤집은 이번 연구 결과에 관심이 집중된다.

UNIST 기초과학연구원 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉(Steve Granick) 단장과 연구단은 그간 무작위 방향으로 운동하며 확산한다고 여겨졌던 효소가 박테리아처럼 방향성을 갖고 움직인다는 사실을 보고했다.

 

박테리아의 움직임(왼쪽)과 효소의 움직임 비교.

우리 몸에만 7만여 가지가 있는 효소(enzyme)는 생체에서 촉매 작용을 하는 단백질이다. 기질(반응물)은 효소를 만나면 화학 반응이 빨라지며 생성물이 되는데, 이 때 효소 자신은 변하지 않으면서 반응을 조절, 생명 유지에 필요한 반응들을 만들어낸다.

연구진은 형광 상관 분광법(이하 FCS)에 자극방출고갈현미경(이하 STED)를 접목해 레이저 빔 영역을 극도로 작게 만들어 미시적인 효소 움직임을 파악했다.
 

UNIST 기초과학연구원 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉(Steve Granick) 단장과 연구단이 밝혀낸 효소의 달리기와 뒹굴기 움직임 모드.

연구팀은 우레아제의 움직임을 관찰한 결과 기존 연구와는 반대로 효소가 기질이 적은 쪽으로 이동함을 발견했다. 기질이 많은 쪽에는 효소농도가 낮았고, 기질이 적은 쪽에 효소 농도가 높았다. 기존의 화학쏠림성 가설을 뒤집고 반대 방향으로 움직이는 반-화학쏠림성을 처음으로 확인한 것이다. 

또한 STED-FCS 관찰을 통해 효소가 한 방향으로 가다가 무작위 방향의 움직임을 반복하는 ‘달리기와 뒹굴기(run&tumble)’를 하는 것을 확인했다. 달리기와 뒹굴기는 먹이를 효율적으로 찾고자 직진과 무작위 방향 운동을 반복하는 박테리아의 움직임으로 잘 알려져 있다. 박테리아가 먹이 쪽으로 움직이는 반면 효소는 기질이 적은 쪽으로 움직인다. 반응 체계가 없는 효소가 이같이 움직이는 이유는 효소가 촉매작용을 하면서 기질 반대방향으로 밀려나기 때문이다.

제1저자인 지아영 연구위원은 "단백질 분자에 지나지 않는 효소가 마치 박테리아나 세포 등 미생물처럼 방향을 갖고 움직였다”며 “앞으로 여러 효소간의 상호작용을 비롯해 신진대사 연구에 큰 도움이 될 것”이라고 기대했다. 

이번 연구에 이론적인 이해를 제공한 츠비 틀루스티(Tsvi Tlusty) 그룹리더는 “효소가 기질을 피하는 것은 선뜻 이해되지 않는 결과”라며 “효소의 촉매작용이 강력하기 때문에 반응이 한꺼번에 일어나지 않도록 조절하는 기작일 수 있다”고 설명했다. 

이번 연구결과는 미국 국립과학원에서 발간하는 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences, IF=9.661)에 12월 19일 새벽 5시(한국시간) 온라인으로 게재됐다. 

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