광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 김정욱 화학과 교수팀이 생명체가 단백질을 정확하게 만들어내는 과정에서 산소를 직접 활용해 작동하는 새로운 효소 반응 메커니즘을 규명했다고 3일 밝혔다.
생명체의 설계도에 해당하는 디옥시리보핵산(DNA)의 유전 정보는 리보핵산(RNA)으로 옮겨진 뒤 번역 과정을 거쳐 단백질로 만들어진다. 이때 단백질은 세포의 구조를 이루고 생명 활동을 수행하는 핵심 물질로 단 하나의 오류만 발생해도 세포 기능 이상이나 질병으로 이어질 수 있다.
이러한 오류를 막는 데 중요한 역할을 하는 것이 tRNA(운반 RNA)다. tRNA는 유전 암호인 코돈을 정확히 읽어 단백질을 이루는 기본 재료인 아미노산을 전달함으로써 단백질이 올바른 순서로 합성되도록 돕는 역할을 한다.
세포는 단백질 합성의 정확성을 높이기 위해 tRNA의 특정 구성 요소(염기)를 화학적으로 변형하는 'tRNA 변형' 과정을 거친다. 특히 tRNA의 워블 자리는 하나의 tRNA가 여러 코돈을 인식할 수 있도록 하는 핵심 부위로, 이 위치에서의 미세한 화학적 변형은 번역 정확성을 유지하는 데 결정적인 역할을 한다.
연구팀은 초저온 전자현미경(cryo-EM)을 활용해 TrhO 효소가 tRNA와 결합해 실제로 작동하는 상태의 구조를 세계 최초로 규명했다. TrhO가 tRNA를 어떻게 인식하는지, 또 tRNA의 구조 일부가 변형되면서 반응이 일어나는 위치의 유리딘이 효소의 반응 중심에 정확히 놓이게 되는 과정을 처음으로 확인했다.
TrhO-tRNA 복합체 구조를 분석한 결과, tRNA의 핵심 위치에 있는 유리딘이 TrhO 효소의 반응 중심에 정확히 배치되며 이 과정에서 반응을 직접 일으키는 시스테인 아미노산과 밀접하게 상호작용하는 모습이 확인됐다. 이는 해당 시스테인이 산소를 이용한 수산화 반응을 시작하는 핵심 촉매 역할을 한다는 사실을 구조적으로 보여주는 증거다.
특히 TrhO 효소 안에서 반응을 시작하는 시스테인 아미노산 하나(C179)의 성질을 바꾼 실험으로 이 효소의 작동 원리를 검증했다. 시스테인이 분자 산소와 직접 반응해 잠시 중간 단계의 상태를 거친 뒤 산소 성분을 워블 자리에 위치한 유리딘으로 전달하는 완전히 새로운 수산화 반응 메커니즘을 제시했다.
김정욱 교수는 “이번 연구는 분자 산소를 이용해 화학적으로 반응이 일어나기 매우 어려운 구조(방향족 고리)에 산소를 도입하는 반응을, 다른 보조 물질의 도움 없이도 단 하나의 효소만으로 수행할 수 있다는 원리를 규명한 것”이라며 “향후 이 효소의 특성을 활용해 복잡하고 비용이 많이 드는 기존 화학 공정을 단순화하고, 저비용·고효율 수산화 반응을 구현하는 한편, 실제로 활용 가능한 효소를 새롭게 설계·개량하는 기술로 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
