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[과학의 달인] 생명현상의 근간이 되는 '단백질'의 비밀 찾는다!

■ 우의전 / 한국생명공학연구원 책임연구원

[앵커]
생명체를 구성하는 가장 기본적인 단위가 바로 '단백질'이죠. 그래서 단백질의 구조와 기능을 연구하는 것은 인체의 비밀을 풀 수 있는 열쇠가 될 수 있다고 합니다.

오늘 <과학의 달인>에서는 단백질 연구에 매진하고 있는 분을 모셨습니다.한국생명공학연구원 질환 표적구조연구센터 우의전 책임연구원과 함께합니다. 어서 오세요.

우리나라의 질병 사망 원인을 보면, 수십 년째 암이 1위로 꼽히고 있습니다. 암은 돌연변이에 의해서 세포가 무한 증식하며 나타나는 질병이다, 이 정도로 알고 있는데, 일단 돌연변이는 왜 생기는 건가요?

[인터뷰]
인간 세포 속에 있는 DNA는 자외선이나 방사선, 활성산소, 발암물질 등 다양한 원인에 의해 지속적인 공격을 받게 됩니다. 우리의 유전자는 A (아데닌), T (티민), G (구아닌), C (사이토신) 네 개 염기가 기본 코드로서 배합을 통해 특정 서열을 이루며 유전자를 만들고, 이것이 다시 아미노산, 단백질을 만들게 됩니다. 돌연변이는 이와 같은 유전자 코드에 변이가 생겨서 단백질이 이상이 생기거나 단백질이 안 만들어지는 그런 것이죠.

[앵커]
그렇군요. 여러 요인으로 이런 돌연변이가 발생하는데, 원래 인체는 이런 돌연변이를 복구하는 시스템을 가지고 있다면서요?

[인터뷰]
그렇습니다. 우리 몸에는 수십조 단위의 많은 세포가 있는데요. 자외선이나 활성산소 등의 원인으로 많은 세포에서 지속해서 돌연변이가 생기게 됩니다. 다행히 인간을 포함한 동식물, 미생물 세포는 이러한 돌연변이를 자연적으로 복구하는 다양한 시스템을 가지고 있고 효소 단백질이 그러한 기능을 담당하고 있습니다. DNA 손상 복구 효소라고 하는데 그중에 하나가 UDG 라는 효소입니다. DNA 염기 중 하나인 사이토신은 쉽게 환경적 요인으로 인해 중간체인 우라실로 변하고 이것이 세포 안에서 티민으로 인식됩니다. 그러면 C가 T로 변하는 돌연변이가 발생합니다. 이 돌연변이를 방어하기 위해 UDG 단백질을 분비하고, 이 단백질이 DNA 상에서 우라실이 생기게 되면 이것을 결합하고 인식해서 제거합니다. 그래서 다른 단백질 효소들이 들어와서 다른 효소들의 도움을 받아 원래 염기인 사이토신으로 복구하게 됩니다. 이 UDG 효소는 모든 생물체가 보유하고 있고, 하루에 수만 개의 변이를 복구하는 것으로 알려졌습니다.

[앵커]
우리 몸속에서 정말 열심히 일하고 있는 효소가 UDG 효소였군요. 쉽게 말해서 돌연변이를 복구하면서 우리의 생명을 유지하는 방어수단이라고 볼 수도 있을 텐데, 그런데 이 단백질 효소에서 최근에 새롭게 발견하신 게 있다고요?

[인터뷰]
네, 그렇습니다. 저희가 인도의 연구팀과 공동 연구를 통해 발견한 효소인데요, 기존의 UDG 효소는 염기를 자르는 것인데, 이 효소는 UDG 효소와 굉장히 비슷하지만, 그 기능이 굉장히 특이합니다. 그래서 그 기능을 아직 정확히 몰라서 UdgX라고 명명했습니다. 세포 내에서 돌연변이 DNA를 복구하는 UDG 효소와는 달리 새로운 패턴으로 기존의 것과는 다른 특성을 보이는데, 예를 들면, DNA 상에서 단단한 공유결합을 볼 수 있고, 이게 복구에 의해서 새로운 기능을 하지 않을까 하는 생각을 하고 있습니다.

[앵커]
그러면 구체적으로 이 UDG 효소와 달리 UDgX 효소라고 하셨는데, 어떤 기능을 하는 것까진 밝혀냈나요?

[인터뷰]
아직 그 부분은 좀 어려운데요. 왜냐하면, 이게 DNA에 단단한 결합을 하는 상태이기 때문에 실제 그 이후에 다른 단백질이 와서 그 DNA를 어떻게 자르는지, 어떻게 복구하는지 이런 부분에 대해선 아직 실제 연구가 되어있지 않고, 앞으로 그런 분야가 계속 연구되지 않을까 하는 생각이 들고요. 그런 새로운 가능성을 제시했다고 생각합니다.

[앵커]
정리하자면 UDG 효소는 DNA 손상을 복구하는 역할을 하는데, 이번에 새로 발견하신 UDgX라는 건 어디를 복구해야 하는지 표시하는 그런 기능을 가지고 있다, 그런 추측을 하고 있다고 말씀해주신 건데요. 이 새로운 UdgX의 발견은 어떤 의미를 가지고 있고, 또 어떨 가능성을 보여줬다고 볼 수 있을까요?

[인터뷰]
지금까지 알려진 많은 복구 시스템이 있는데요. 이런 새로운 기능의 단백질이 나왔다는 것은 그걸 통해서 또 다른 단백질들이 연관을 가지고 복구할 수 있다, 그러니까 새로운 방향을 제시했다는 것에 의미가 있고, 장기적으론 이러한 연구를 통해서 어떤 돌연변이와 관련된 암 치료제 개발이나 이런 것에 관련한 학문적인 토대를 제공할 수 있다고 생각합니다.

[앵커]
정말 말씀하신 것처럼 암 치료에 있어서 이 연구결과가 정말 학문적인 토대가 돼서 치료에 분명한 역할을 했으면 좋겠다, 이런 바람이 생기는데요. 그런데 인체뿐만 아니라 환경 측면에서 효소와 관련해서 특별하게 발견한 부분이 있다고요?

[인터뷰]
네 저희는 세포가 주변 환경에 반응하며 필요에 따라 유전자 발현을 조절하는 DNA에 결합하는 단백질에 대해 연구하고 있습니다. 미생물은 환경오염물질인 페놀을 인식하고 분해하는데요. 미생물이 어떻게 인식하고 어떤 작용을 통해 분해하는지 연구해 페놀과 결합하는 단백질의 삼차 구조를 통해 밝힌 바 있습니다. 그로 인해 이것의 기능과 페놀 분해 원리들을 알아냈습니다.

[앵커]
환경오염물질인 페놀과 결합하는 미생물의 작용 원리를 알아냈다, 이런 말씀인데, 우선 페놀부터가 좀 생소해요. 어떤 물질이고, 이게 인체에 들어올 수도 있다고 하는데, 어떻게 들어오는 건가요?

[인터뷰]
페놀은 낙동강 페놀 오염 사태로 익숙하실 텐데요. 페놀은 특이한 냄새가 나는 무색의 물질로 원래 다양한 석유화학 제품에 전구체가 되는 물질로서, 플라스틱이나 나일론 세제, 제초제 등의 주요 성분으로 광범위하게 사용되기 때문에 산업폐수 등에 많이 존재합니다. 페놀 그 자체로 인체에 독성을 지닌 환경 유해물질이고 제대로 정화가 되지 않을 경우 토양과 지하수 등을 타고 우리 몸에 들어오게 되면 피부 질환이나 신경계, 소화계, 순환계 이런 데에 굉장한 독성을 가지기 때문에 독성 물질로 분류되어 있죠.

[앵커]
토양과 지하수 등으로 유입된다면 이 페놀을 정화하는 게 굉장히 중요하겠다, 이런 생각이 드는데, 미생물로 환경오염물질을 분해할 수 있는 기술이 있다고 들었습니다. 어떻게 가능한 건가요?

[인터뷰]
기존에는 흡착제나 여러 가지 화학적 반응을 통해서 제거하는데, 미생물이 이런 오염물질을 제거하는 기능이 있습니다. 예를 들어, 슈도모나스라는 미생물은 오염물질이 들어오면 그걸 분해해서 자기의 에너지원으로 쓰고 있어요. 그런데 저희가 최근에 페놀을 인식하는 Dmpr 이라는 단백질인데, 그것이 페놀과 결합하면 모양이 급격히 바뀌게 됩니다. 마치 영화 트랜스포머처럼 페놀과 결합하면 구조가 바뀌면서 네 개의 커다란 복합체를 형성하게 됩니다. 그래서 자기가 발현하려고 하는 페놀 분해 효소의 유전자상에 위치하게 되고, 다른 분해와 관련된 복합체들을 끌어오게 됩니다. 그래서 그러한 일련의 과정들을 저희가 밝히게 된 거죠.

[앵커]
그렇군요. 그러니까 미생물이 페놀을 어떻게 감지하고 분해하는지까지 그 과정을 알아냈다는 건데, 그러면 이 연구 성과가 우리에게 어떤 의미를 갖는 건지도 궁금해요.

[인터뷰]
저희가 밝혀낸 페놀 인식 단백질의 삼차 구조와 작동 원리는 향후 미생물이 페놀을 인식하는 방법이나 그 경로를 조작할 수 있게 만드는 토대를 제공합니다. 이것을 합성생물학이라고 하는데요. 페놀이 인식하는 부위를 구조적으로 알게 되니까 페놀뿐만 아니라 다양한 종류의 비스페놀과 같은 환경호르몬을 인식하는 그런 것에도 활용할 수 있습니다.

[앵커]
앞으로 다양한 화학 오염물 진단에 응용이 가능할 것 같다는 생각이 드는데요. 단백질에 대한 연구는 어느 한 분야에만 국한되지 않고 여러 방면에서 활용될 수 있을 것 같습니다. 어느 분야까지 활용할 수 있을까요?

[인터뷰]
단백질은 생명현상의 기본 기능을 하는 것으로서 아주 크기가 작은 나노 기계라고 보시면 됩니다. 동식물, 미생물, 바이러스 등 모든 생명체에 존재하는 중요한 요소이기에 미생물에서 밝힌 단백질을 사람에게 이용하는 경우도 많이 있습니다. 대표적인 것이 올해 노벨화학상을 받은 크리스퍼라는 단백질입니다. 원래 미생물에서 발견한 단백질인데 이것을 활용해서 사람 유전자를 편집할 수 있는 나노 기계로 활용해서 유전자 가위로 향후 유전자 치료에 매우 효과적으로 사용될 것 같습니다.

[앵커]
단백질 연구로 노벨화학상을 받을 정도로 단백질이라는 것에 많은 학자가 주목하고 있는데, 연구원님이 설명해주신 이 단백질 연구 역시 암 치료뿐만 아니라 앞서 말씀해주신 환경 오염물질을 검출할 수 있는 센서 등의 개발로도 활용될 수 있겠다, 이런 청사진을 그려보게 됩니다. 그럼 앞으로 연구원님의 계획도 한 말씀 듣고 싶은데요.

[인터뷰]
저는 지금까지의 연구 결과를 바탕으로 이것을 활용할 수 있는 단백질 설계 분야에 연구하고자 합니다. 좀 더 구체적으로는 단백질 삼차 구조를 규명하였으니까 이러한 정보를 바탕으로 우리가 원하는 물질과 결합할 수 있도록 단백질의 일정 부분 새롭게 설계하는 것입니다. 이전에는 이 분야가 어려운 학문이었고 정확성도 떨어졌지만, 최근에는 빅데이터와 고성능 슈퍼컴퓨터를 이용하면 이전에는 불가능했던 정확한 설계가 가능해지게 되었기 때문에 앞으로 이러한 단백질 디자인 분야에 집중할 계획입니다.

[앵커]
생명의 기본 구성 물질인 단백질에 대해서 오늘 굉장히 자세하게 들어봤는데, 이게 생명의 기본 구성 물질이다 보니까 이 부분을 연구하다 보면 암을 포함해서 우리 인류가 앓고 있는 여러 질병을 근원적으로 해결할 수도 있겠다, 그런 생각도 들었습니다. 아울러서 환경 오염에도 큰 역할을 해주길 기대하면서 지금까지 한국생명공학연구원 우의전 책임연구원과 함께했습니다. 오늘 말씀 잘 들었습니다.
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