▲ 본 연구에서 개발한 실험 기법과 주요 결과 / (A) 막단백질 상호작용 단분자 집게 기술의 모식도. 이 기술을 통해 막단백질 간 결합과 분리 과정을 반복적으로 실시간 관찰할 수 있음. (B) 대표적인 실험 결과. 막단백질 이합체가 형성되는 과정을 실시간으로 추적하고, 기존에는 관측할 수 없었던 여러 중간 상태들을 포착. (C) 막단백질 이합체 형성 과정에서의 구조 변화 및 결합 억제 메커니즘의 모식도. 결합 억제 펩타이드의 도입을 통해 핵심 중간 단계를 차단하면 전체 결합이 저해된다는 사실을 확인.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

세포 막단백질이 짝을 이루는 과정에서 ‘숨겨진 중간 단계’가 세계 최초로 관측됐다. 단백질이 한 번에 결합한다는 기존 통설을 뒤엎고, 실제로는 지퍼를 잠그듯 여러 단계를 거쳐야 최종 결합이 완성된다는 사실이 단분자 수준에서 확인된 것이다.

UNIST 화학과 민두영 교수 연구팀은 세포 막단백질이 짝을 이루는 과정을 실시간으로 추적해 그 구조적 중간 단계를 규명했다고 8일 밝혔다. 이번 성과는 의약학적 가치가 높은 막단백질의 상호작용 원리를 새롭게 밝힌 것으로, 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 8월 9일 게재됐다.

“한 번에 붙는 게 아니다”… 지퍼처럼 맞물리는 단백질

세포 막에는 외부 신호를 인식하거나 내부 신호를 전달하는 수많은 단백질이 존재한다. 특히 절반 이상은 두 개가 짝을 이뤄야 정상적으로 기능하는데, 그 결합 과정은 지금까지 ‘한 번에 결합한다’는 것이 정설이었다.

하지만 민두영 교수팀은 최신 분석법을 통해 이 과정을 정밀 관찰한 결과, 단백질이 특정 부위부터 차례로 맞물리며 중간 단계를 거친 뒤에야 최종 결합이 완성된다는 사실을 규명했다.

연구진은 ‘막단백질 상호작용 단분자 집게(single-molecule tweezers)’라는 독창적 기법을 활용했다. 이는 단백질을 집게처럼 잡아당기면서 결합과 해리 과정을 실시간 기록하는 방식으로, 결합의 미세한 단계를 포착할 수 있었다.

결합 억제 실험으로 원리 입증

연구팀은 막단백질 사이에 짧은 펩타이드 조각을 삽입해 결합을 방해하는 실험도 진행했다. 그 결과, 단백질은 지퍼의 톱니가 끊어진 것처럼 특정 중간 단계에서 멈춰버렸고, 결합은 완성되지 못했다.

민두영 교수는 “이번 연구는 막단백질 상호작용 원리를 이해하는 데 있어 큰 전환점”이라며, “유방암 치료제 ‘퍼제타(Perjeta)’도 이러한 막단백질 결합 억제 원리를 응용한 사례다. 앞으로는 결합의 숨겨진 단계를 선택적으로 차단해 보다 정밀한 신약 설계가 가능해질 것”이라고 강조했다.

신약 개발·바이오 연구 새 지평 열어

연구팀은 이번 성과가 단순한 학문적 발견에 그치지 않고, 신약 개발과 바이오메디컬 연구에 직접적인 파급력을 가질 것으로 기대하고 있다. 막단백질은 암, 신경질환, 대사질환 등 다양한 질환 치료제의 주요 표적으로 꼽히기 때문이다.

민 교수는 이어 “이번 연구에서 사용된 단분자 집게 분석법은 의약학적으로 중요한 막단백질 결합 과정을 정밀하게 규명하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.

논문명은 Single-molecule tweezers decoding hidden dimerization patterns of membrane proteins within lipid bilayers이다.