<알데히드-알코올 탈수소효소의 구조 및 기능적 연구 >

1. 배경지식

박테리아에 널리 보존되어 있는 알데히드-알코올 탈수소효소(AdhE)는 발효과정에 관련된 효소이다. 알데히드-알코올 탈수소효소는 두 개의 도메인, 알데히드 탈수소효소와 알코올 탈수소효소로 구성되어 있고, 최초 기질인 아세틸조효소A (acetyl-CoA)는 두 도메인에 의해 아세탈알데히드를 거쳐 에탄올로 바뀐다. 뿐만 아니라 알데히드-알코올 탈수소효소는 병원성 대장균의 독성이나 바이오연료 산업에서 에탄올 수율과 밀접한 관련이 있기 때문에 그 응용가능성을 주목받아왔다. 그럼에도 불구하고 알데히드-알코올 탈수소효소는 나선형의 다량체(spirosome)를 만들기 때문에 그 구조와 기능을 이해하는 데 한계가 있었다.

2. 질문

알데히드-알코올 탈수소효소가 만드는 다량체는 어떤 모습일까? 이 다량체의 형성은 알데히드-알코올 탈수소효소의 기능에 어떤 역할을 할까?

3. 발견

알데히드-알코올 탈수소효소의 구조 및 생화학적 연구를 통해 본 연구팀은 이 효소의 다량체 형성 원리와 다량체가 갖는 생물학적 함의에 대해 이해할 수 있었다. 첫째로 본 연구는 초저온전자현미경을 사용하여 최초로 알데히드-알코올 탈수소효소의 원자 수준의 해상도 구조를 규명하였다. 규명한 구조로부터 알데히드-알코올 탈수소효소가 어떤 방식으로 다량체를 형성하는 지 알 수 있었을 뿐만 아니라 알데히드 탈수소효소와 알코올 탈수소효소의 활성 자리가 각각 나선형 다량체의 밖과 안쪽에 위치하는 것을 확인하였다. 이러한 배치를 가짐으로써 전체 반응은 다량체 밖에서 안으로 진행될 것이며, 두 개의 연속된 반응이 끝까지 완료될 수 있도록 할 것이라 예측된다. 특히 중간산물인 아세탈알데히드는 확산이 용이하며 독성을 가지고 있는데 세포내로 확산되는 것을 방지함으로써 알데히드-알코올 탈수소효소는 안전한 방식으로 기질을 처리할 수 있어 보인다. 둘째로 연구팀은 다량체의 구조를 갖는 것이 알데히드-알코올 탈수소효소의 작용에 중요하다는 것을 밝혔다. 탈수소효소에는 철 이온과 NAD⁺와 같은 보조인자가 활성에 꼭 필요한데 이러한 보조인자를 처리하였을 때 알데히드-알코올 탈수소효소의 다량체 구조가 변하는 것을 확인하였다. 앞서 확인한 것과 같이 위치적으로 분리되어있는 활성 자리가 다량체의 구조변화를 통해 상호작용을 할 수 있을 것이라 예상된다. 돌연변이를 도입하여 알데히드-알코올 탈수소효소의 다량체 형성을 억제하면 어떻게 될까? 본 연구팀은 구조를 기반으로 단 하나의 아미노산 변화만으로도 알데히드-알코올 탈수소효소 돌연변이가 다량체를 형성하지 않는 것을 확인하였고, 다량체를 형성하지 못함으로써 효소의 활성이 극적으로 감소하는 것을 보였다. 결론적으로 알데히드-알코올 탈수소효소는 나선형의 다량체를 형성함으로써 발효과정을 효과적으로 수행할 수 있게 한다는 것을 이번 연구를 통해 알게 되었다.

4. 후속

나선형의 알데히드-알코올 탈수소효소 다량체가 보조인자와 결합한 경우 구조 변화가 생기는 것을 확인하였다. 보조인자와 결합한 알데히드-알코올 탈수소효소의 구조를 밝힘으로써 효소 활성의 메커니즘을 이해할 수 있을 것이라 기대된다. 실제로 이를 위해 후속 연구를 진행하고 있으며 보조인자가 있을 때와 없을 때의 차이가 어떤지 확인한다면 더욱 의미있는 연구가 될 것이라 기대한다. 동시에 영국 글래스고 대학교와의 협업을 통해 다량체 형성을 저해하는 물질을 찾고, 병원성 대장균 치료제 개발을 위한 연구를 해보고자 한다.

5. 소감

알데히드-알코올 탈수소효소는 사실 저희 연구실에서 주요하게 다루는 단백질이 아니었습니다. 우연한 발견과 만남을 통해 이 논문을 성공적으로 마무리 할 수 있었습니다. 지원과 지도를 아끼지 않으신 송지준교수님, 글래스고 대학교 Andrew교수님, Olwyn교수님, 무엇보다도 늘 함께 옆에서 고민해준 연구실 선후배님께 감사드립니다.

6. 기타

효소활성 측정을 위해 조병관교수님 연구실에서 많은 도움을 받았습니다. 특히 최동희, 김강산 선생님께 고맙다는 말씀을 이 자리를 빌어 전합니다.