영남대 김동영 교수팀, 전자현미경 이용 '초소형 단백질 구조' 세계 최초 규명

초저온전자현미경으로 '초소형 단백질' 첫 규명
기존 'X-선 결정학' 한계 넘어선 차세대 분석기술
신약개발 활용 확대… 약물 상호작용까지 확인

(왼쪽)제1저자인 박건웅 박사, (오른쪽)약 32 kDa의 Human PLK1-onvansertib 복합체의 초저온전자현미경 구조. 영남대 제공

영남대학교 약학부 김동영 교수 연구팀이 초저온전자현미경(Cryo-EM)을 이용해 그동안 이론적으로 분석이 어렵다고 알려졌던 초소형 단백질의 구조를 세계 최초로 규명해 화제가 되고 있다.

단백질은 우리 몸에서 다양한 기능을 수행하는 핵심 물질로, 구조에 따라 기능이 결정된다. 이에 따라 단백질 구조를 정밀하게 파악하는 연구는 질병 원인 규명과 신약 개발의 기초로 꼽힌다.

기존 연구에서는 강력한 X선을 활용하는 'X-선 결정학'이 단백질 구조 분석의 주요 방법으로 활용돼 왔다. 하지만 단백질을 결정 형태로 만들어야 하는 과정에서 실험적 제약이 크고 많은 시간과 비용이 소요된다는 한계가 있었다.

이를 보완하기 위해 시료 이미지를 기반으로 구조를 분석하는 초저온전자현미경 기술이 주목받으며, 최근에는 해상도 향상을 통해 핵심 분석 기법으로 자리잡고 있다.

다만, 초저온전자현미경 또한 일반적으로 200킬로달톤(kDa) 이상의 비교적 큰 단백질 분석에는 효과적이지만, 작은 단백질 구조 분석에는 한계가 존재했었다. 2017년 노벨화학상 수상자인 리처드 헨더슨이 제시한 이론에 따르면 전자현미경으로 분석 가능한 단백질의 최소 크기는 약 38kDa 수준이며, 실제 보고된 사례도 46kDa 안팎에 그쳐 사실상 한계로 여겨졌다.

연구팀은 이번 연구에서 이러한 한계를 뛰어넘었다. 초저온전자현미경을 활용해 말토스(당의 일종)가 결합한 말토스결합단백질(약 41kDa)의 구조를 2.4옹스트롬(Å, 10–10미터 또는 0.1nm) 해상도로 규명했으며, 나아가 표적 항암제 '온반서팁(Onvansertib)'이 결합한 PLK1(약 32kDa) 구조를 3.4Å 해상도로 분석하는 데 성공했다.

이는 기존 이론적 한계를 넘어선 성과로, 초저온전자현미경을 통해 소형 단백질 구조 규명은 물론 약물과의 상호작용까지 정밀하게 분석할 수 있음을 입증했다는 뜻이다.

김동영 교수는 "이번 연구는 현재 상용화된 장비로도 이론적 한계를 뛰어넘는 소형 단백질 구조 분석이 가능함을 보여줬다"며 "약물 결합 상태까지 확인할 수 있어 초저온전자현미경의 응용 범위를 크게 확장했다는 데 의미가 있다. 장비 발전과 함께 이를 활용할 수 있는 전문 연구 인력 양성도 중요하다"고 강조했다.

한편, 이번 연구는 신약 개발 플랫폼 기업 바오밥에이바이오의 초저온전자현미경 장비를 활용해 진행됐으며, 이 기업의 박건웅 박사(영남대 대학원 약학과 박사)가 제1저자로 참여했다. 연구 논문은 지난 4월 14일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 게재됐다.