생물학 연구의 궁극적인 목적은 무엇일까?

바이오산업의 핵심 기술인 단백질 기능 분석은 학문적인 관점뿐 아니라 인간의 질병을 치료하기 위한 필수요소이다. 생명현상은 세포 내부에서 이루어지는 신호전달기작에 의해 조절되며, 신호전달의 대부분은 단백질, 핵산, 이온, 탄수화물 등 여러 가지 생체물질들의 물리적, 화학적 상호작용에 의해 이루어진다.

이러한 신호전달의 가장 중심에 있는 물질이 단백질이며 이들간의 결합여부와 상호작용에 따라 세포 속의 물질들이 대화를 하게 된다. 따라서 생체물질의 기능을 밝히기 위한 첫 단계가 이들 생체 물질들, 특히 단백질들 간의 결합여부 및 결합특성을 분석하는 일이다.

이러한 단백질들의 결합을 알아내기 위해 여러 가지 방법이 개발되어 사용되고 있다. 시험관내 분석기술로 항원ㆍ항체 반응을 이용한 면역침강법, 단백질칩을 이용한 분석법 등이 사용되고 있으며, 단백질의 구조 규명을 통한 방법으로 엑스선결정법, 자기공명법 및 급속냉동 전자현미경법 등이 사용되고 있으나 이들 방법들은 모두 살아있는 세포내에서 일어나는 직접적인 결합을 보여주는 것이 아니라는 단점을 가지고 있다.

따라서 단백질의 기능을 밝히기 위한 새로운 결합분석기술이 필요하게 되었으며, 시험관내 실험이 아닌 살아있는 세포 속에서 직접 단백질결합을 분석할 수 기술들이 여러 연구자들에 의해 개발되었다. 현재 살아있는 효모 속에서 일어나는 단백질 간의 결합을 분석하는 효모교잡법이 가장 널리 사용되고 있는 방법이다.

이 이외에도 두 개로 나뉘어진 형광단백질에 각각 원하는 단백질을 연결하여 원하는 단백질이 결합할 때 나뉘어진 형광단백질의 결합이 유도되어 나타나는 형광을 분석하는 분할단백질 상보조합법, 자성나노입자에 자기력을 가하여 단백질결합 상태를 분석하는 자성나노입자 재배열법 등이 개발되어 사용되고 있으며, 적용분야가 계속 넓어지고 있는 추세이다.

그러나 이들 방법들도 완전한 것이 아니라는데 연구자들의 고민이 숨어있다. 가장 널리 사용되는 효모교잡법의 경우, 대량의 단백질을 대상으로 빠른 시간 내에 분석할 수 있다는 장점이 있지만 인간세포를 포함한 동물세포를 이용하는 방법이 아니라 효모를 사용하기 때문에 동물세포 속에서 일어나는 단백질결합을 직접적으로 증명하지는 못한다는 단점이 있다.

또한 분할단백질 상보조합법의 경우 실험이 양성으로 나타났을 분석 신뢰도가 매우 높다는 장점이 있으나 실제 살아있는 세포 속에서 결합하는 단백질일 경우에도 두 가지 형광간의 거리에 따라 결합을 하지 않는 것으로 나타날 수 있다는 점과 실험성공률이 매우 낮다는 단점이 있다.

[그림설명] 2008년도 노벨화학상은 시모무라 오사무 교수 외 2명이 ‘녹색형광단백질(GFP)’(왼쪽)을 발견ㆍ개발한 공로로 수상하였다. 위 그림은 분할단백질 상보조합법을 이용한 단백질의 용해도 실험으로 형광단백질을 두 개로 나눈 후 다른 단백질에 결합시키는 과정을 나타낸다(오른쪽).

이상에서 살펴본 바와 같이 현재 사용되고 있는 결합분석 방법들은 저마다 장점이 있는 반면 실제 실험에 들어갈 경우 치명적인 단점을 나타내고 있는 것이 사실이다. 따라서 앞으로 이러한 문제점들이 획기적으로 개선된 새로운 단백질결합 분석 방법의 개발이 필요하다. 단백질결합을 더 정확하고 빠르게 분석할 수 있다면 현재까지 알려진 수많은 단백질들의 기능과 서로간의 관련성을 규명함으로써 연구 및 신약 발굴 기간을 단축할 수 있을 것이다.

글: 이지원 한국기초과학지원연구원 생명과학연구부 박사