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화학 화학산업에 혁명을 불러올 산화효소 구조 규명
2013.12.18 19:07
화학산업에 혁명을 불러올 산화효소 구조 규명http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013120353&service_code=03 | |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-12-11 | |
| 치환기가 전혀 없는 지방족(aliphatics) 또는 방향족 탄화수소(aromatics)에 입체선택적 산화반응(stereoselective oxidation)을 일으킬 수 있는 천연 효소의 구조가 독일 프라이브르크대학(Universitat Freiburg) 클라우스 피온텍(Klaus Piontek) 교수와 디트마르 프라트너( Dietmar A. Plattner) 교수, 에릭 스트리트마터(Eric Strittmatter) 교수로 이루어진 연구진에 의해 규명되었다. 연구진이 구조 규명에 성공한 효소는 방향족 과산화효소(aromatic peroxygenase; APO)로 분류되는 AaeAPO라는 효소다. 버들송이버섯에서 발견된 이 효소는 안정성이 우수하고 다양한 유기화합물의 산화반응에 촉매 역할이 가능해서 산업적 활용 가능성이 매우 높은 효소로 알려져 있다. 일반적으로 치환기가 전혀 없는 지방족이나 방향족 탄소화수소를 유도체화하는 화학반응은 매우 어려운 화학반응이다. 특히 이들을 구성하는 특정 탄소에 특정한 입체화학적 유도체화가 가능한 촉매의 개발은 모든 화학자들의 꿈이지만 현실에서 이루기 어려운 것 중 하나다. 하지만 AaeAPO를 사용하면 화학자들이 꿈꾸어온 모든 것이 가능하다. 따라서 이러한 화학적 작용이 가능한 효소의 구조는 효소의 기능과 작용기작을 분자 수준에서 이해할 수 있는 기초가 됨은 물론이고 이 효소와 유사한 작용을 하는 인공 효소(또는 화학촉매)를 설계하는데 도움이 되는 청사진을 얻을 수 있다. 이 밑그림은 자연계에 존재하는 천연 효소의 설계도에 해당하기 때문이다. 화학자는 이를 바탕으로 리버스엔지니어링(또는 역엔지니어링)을 통해 인공 효소를 개발하는데 필요한 영감과 문제를 해결의 실마리를 얻을 것이다. AaeAPO처럼 치환기가 전혀 없는 탄화수소에 입체선택적 화학반응을 일으킬 수 있는 효소는 존재한다. 시토크롬(cytochromes) P450 같은 모노옥시게나아제(monooxygenases)계 효소가 대표적인 예다. 모노옥시게나아제계 효소는 산소(O2)나 퍼옥사이드(peroxide)와 함께 작용해서 다양한 탄화수소에 입체선택적 산화반응을 일으킬 수 있다. 이 과정에서 알코올, 에폭사이드(epoxide), 알데히드(aldehyde) 등 다양한 유도체를 얻을 수 있지만 생리적 환경에서만 기능을 제대로 발휘할 수 있다는 한계를 가지고 있다. 이는 NADPH/플라빈 환원효소(flavin reductases)의 전자 공급이 있어야만 하기 때문이다. 안정성이 낮아 쉽게 활성을 잃는 것도 P450의 고질적인 문제점 중 하나다. 그런데 AaeAPO는 P450의 단점이 전혀 나타나지 않기 때문에 산업계에서 큰 관심을 가지고 있다. 진균류 효소에 일종인 AaeAPO는 세포 내 환경에서 격리된 상태에 놓여도 파괴되거나 활성을 잃어버리지 않는다. 안정성이 매우 뛰어나고 과산화수소만 있으면 다른 보조 효소의 도움 없이도 탄화수소에 입체선택적인 산화반응을 일으킨다. 실제로 이 효소는 진균류에게 있어 동물의 간과 같은 역할을 하는 효소다. 생체 내로 유입된 독성물질을 분해해서 진균류에게 무해한 물질로 전환시킨다. AaeAPO는 발암성 방향족 화합물인 메틸이미다졸을 분해해서 독성을 제거할 수 있다. 연구진은 결정학적 구조분석을 통해 AaeAPO의 입체구조를 규명해냈다. 이 구조를 바탕으로 연구진은 AaeAPO의 활성과 기질 선택성이 헴 접근 채널(heme-access channel)과 헴 내부에 빈공간의 크기에 의해 크게 변화함을 밝혀냈다. 이러한 정보는 촉매의 활성 설계에 결정적인 정보이기 때문에 인공 촉매 개발에 큰 파급 효과가 기대된다. Original publication: Structural basis of substrate conversion in a New Aromatic peroxygenase: P450 Functionality with Benefits. Klaus Piontek , Eric Strittmatter, Rene Ullrich , Glenn Grobe, Marek J. Pecyna, Martin Kluge, Katrin Scheibner, Martin Hofrichter, and Dietmar A. Plattner J. Biol. Chem., 2013, 288(48), 1-11 | |
자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다. | |
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