바이오/재료/화학

Fine Chemical _2017.2 특집요약 (p5~54)

인공개변에 의한 기능성 단백질의 개발과 응용

● 특집에 있어서
(Introduction)
Satoshi Akanuma / 와세다 대학, 인간과학학술원 인간환경과학과 조교수

지구상의 생물에는 수 천에서 수 만 종류의 단백질이 세포 안을 형성하는 사회의 요소로써 다양한 역할을 맡아 생명활동에 기여하고 있다. 인간 사회에 비유하자면 수복효소는「의료」, ATP합성효소는「에너지」, 정보전달 단백질은「ITㆍ정보통신」, 분해 효소는「환경보전」, 항체는「방위」의 분야에서 활약하고 있다라는 식이다. 이런 진화가 만들어 낸 세포 사회 속에서 활동하는 단백질을 세포의 밖으로 끄집어 내어 의료나 산업, 또는 일상생활의 인간 사회에 도움이 되게 하려는 시도가 시작되고 있다.

그러나 세포 안에서 활동하도록 진화해 온 단백질이 반드시 세포의 밖에서도 유익할 것이라고 단정지을 수는 없다. 그리하여 인공 개변에 의한 단백질을 이용 목적에 맞는 형태로 재설계하는「단백질 공학」연구가 최근에 와서 활발히 이뤄지고 있다. 원래「단백질 공학(Protein Engineering)」은 Kevin M. Ulmer에 의해 1983년에 제창되었다. 그 후, PCR법(중합효소 연쇄반응)의 개발에 대표되는 유전자 공학 기술의 진전으로, 단백질의 아미노산 배열을 자유자재로 개변할 수 있게 되었으며, 또한 X선 결정구조 해석 및 NMR법에 의한 단백질 입체구조 해석기술의 발전, 컴퓨터의 성능과 컴퓨터 모니터링 기술의 진보가 한데 어우러져, 현재는 많은 개변 단백질이 보고되고 있다.

여러 가지 유전자 다양화 기술 및 퍼지 디스플레이, 리보솜 디스플레이 중에서 유전자 선택기술로 대표되는 진화분자공학기술의 진전이 방대한 아미노산 배열공간의 검색을 가능하게 했다는 것도 단백질 공학의 발전에 있어서 잊어서는 안 된다.
최근에는 기존의 단백질의 개변기술의 발달에 그치지 않고, 전혀 새로운 단백질을 처음부터 설계하는 de novo 설계기술도 놀라울 정도로 진보되고 있으며, 앞으로 다양한 니즈(Needs)에 부응하는 방식으로 많은 단백질이 실용화 될 것이다.

본 특집에서는, 단백질의 개변기술의 개발을 전문 연구자들에게 자신들의 연구를 중심으로 단백질 공학의 현황에 대하여 집필하도록 부탁했다. 본 특집에서 소개하고 있는 세계를 리드하는 단백질 개변기술이 향후, 단백질의 인공개변의 달성과 그 제어를 지향하는 연구자ㆍ기술자들에게 참고가 되길 바란다. 마지막으로, 자료를 제공해 주신 연구자들 및 본 특집호를 기획하신 ㈜CMC출판의 이케다 씨께 이 자리를 빌어 감사의 말씀을 전하고 싶다.

● 내열성 효소의 창조와 호열균(好熱菌) 효소의 저온 고활성화
(Creating Thermostable Enzymes and Enhancing The Low-Temperature Activities of Thermophilic Enzymes)
Satoshi Akanuma / 와세다 대학, 인간과학학술원 인간화학과학과 조교수

엄밀한 기질 특이성 및 촉매효과의 우수성 때문에 공업에서의 효소 이용이 기대를 모으고 있다. 그러나, 천연의 효소는 숙주의 생육 환경에 적응되어 있기 때문에, 반드시 그대로의 상태로 사용하는 것이 적당하다고는 단정지을 수 없다. 이 글에서는 집필한 사람들의 연구실에서 시행된 진화 정보가 가미된 내열성 효소의 설계 및 그에 반대되는 내열성 효소의 저온활성을 향상시키는 사례에 대해 소개하겠다.

● 인공개변을 구사한 고 기능성 차세대 암 치료 항체의 개발
(Development of Highly Functional Next-Generation Cancer Therapeutic Antibodies by Using Protein Engineering)
Ryutaro Asano 외 1명 / 도쿄 농공(農工)대학 대학원공학연구원 생명기능과학부문 조교수

항체 의약의 대부분은 이미 무언가의 인공개변이 실행되고 있으나, 한층 효과적인 암 치료항체의 개발을 위해서는 기능성 단편끼리, 또는 타 기능성 분자와의 융합 등에 의해 창출되는 비(非)천연형 항체에 기대가 모아지고 있다. 이 글에서는 인공개변에 의한 고기능성 암 치료 항체의 개발에 관한 현황에 대해 설명한 후, 우리의 대응방안을 소개하겠다.

● 남조식물 유래의 알칸 합성관련 효소의 고 활성화와 경유(輕油) 생산성의 향상
(Increasing Productivity of Diesel Oils by Improving Cyanobacterial Enzymes for Alkane Biosynthesis)
Munehito Arai 외 2명 / 도쿄대학 총합문화연구과 광역과학전공 생명환경과학계 교수

남조식물이 생산하는 경유에 해당하는 바이오 연료는 지구온난화 방지에 유효한 재생 가능 에너지로써 주목을 받고 있다. 그러나 남조식물이 가지고 있는 알칸계 합성 효소는 활성도가 낮기 때문에 그것들을 고(高)활성화 시킬 필요가 있다. 이 글에서는 남조식물 유래의 알칸 합성 효소의 고활성화를 향한 연구 방안을 정리했다.

● 미생물의 생육을 지표로 한 선별법에 의한 아미노산 정량용 효소의 개발
(Development of Enzymes to Determine Amino Acids By Growth-Dependent Molecular Selection)
Yasuhisa Asano / 후쿠야마 현립 대학 공학부 생물 공학화 교수

신생아 매스스크리닝(mass-screening） 및 다양한 질병을 검출하기 위해서는 아미노산 정량이 주목을 받고 있으며 필자들은 그 목적을 위해 정량용 효소의 개발을 추진하고 있다. 이 글에서는 진화 분자공학에 있어서의 효소 개변, 특히「변이 도입으로 효소가 기능을 발휘함으로써 미생물의 생육이 촉진되는 스크리닝계(growth-dependent molecular selection)」을 이용한 랜덤 변이 도입에 의한 효소개변에 관해 소개하겠다.

● 인공개변 단백질을 이요한 세슘 회수기술의 개발
(Development of The Cesium Absorption Technique Using Artificially Modified Protein)
Shigeki Arai 외 1명 / 국립연구개발 법인 양자과학기술연구개발기구 양자 빔 과학연구부문

우리는 호염성(好塩性) 단백질 표면에 세슘이온(Cs⁺)를 선택해 결합하는 부위를 발견했다. 또한, 단백질의 나트륨이온(Na⁺) 결합 부위를 변이 도입을 통해 개변하여 Cs⁺결합부위를 인공적으로 만들어 내는데 성공했다. 이 글에서는 이것에 대한 지견과 기술을 이용한 Cs⁺회수 바이오 재료의 제조 가능성에 대해 소개하겠다.

● 다기능성 케이지 모양 단백질을 이용한 산화 티탄 피막형 카본나노튜브의 합성과 그 색소증감 태양 배터리용 소자로의 응용
(Synthesis of TiO2-Coated Carbon Nanotubes by The Multifunctional Cage-Shaped Proteins and The Application into Dye-Sensitized Solar Cell Devices)
Ippei Inoue 외 1명 / 아지노모토 ㈜ 이노베이션 연구소 주임연구원

단백질 및 펩틴 등의 생체재료가 가진 나노 사이즈의 특수한 구조 및 무기재료로의 흡착ㆍ척출 능력을 이용함으로써, 고도의 정밀한 나노 소재를 만들어 내는 것이 가능해졌다. 이번에는 2종류의 케이지 형태의 단백질에 기능성 펩티드를 부가한 인공 단백질을 사용하여 태양 배터리 소자용의 신규 카본나노튜브를 합성했다. 이 나노 소자는 그 광전(光電) 변환효율을 향상시킬 수 있다.

● 인공개변에 의한 α-글루코시다아제의 기질 특이성의 개변
(Molecular Modification of Alpha-Glucosidase Result in Altered Substrate Specificity)
Satoru Ishihara / Amano Enzyme USA Co., Ltd. Research Scientist

α-글루코시다아제는 이소말토올리고당의 공업 생산에 이용되는 효소이며, 당질 가공에 있어서 중요한 효소이다. 최근, α-글루코시다아제의 본질 특이성에 있어서「스위치」의 역할을 하는 아미노산 잔기가 보고되고 있다. 이 글에서는 α-글루코시다아제의 가수분해와 당(糖) 전이반응에 관한 인공개변의 연구 성과를 소개하겠다.

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