효소 촉매는 움직이면서 일어난다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-17

효소학: 효소들은 반응을 가속시킬 뿐만 아니라, 스스로 추진시킨다. 그림. 이 그림에서, 알칼리성 인산 가수분해 효소(alkaline phosphatase)가 반응을 촉매하고 있는데(밝은 점들), 이것은 그 효소를 용액을 통해서 밀어나게 하는 압력파를 만든다. 효소들은 한 세기 이상 동안 연구되어 왔지만, 한 새로운 연구가 지금까지 거의 완전히 인식되지 못했던 그것들의 거동에 대한 측면을 드러내주고 있다. 이 연구는 효소들이 그들의 활성 부위에서 촉매되는 반응들에 의해서 생성되는 힘들에 의해 용액 중에서 이리저리 밀려다닌다는 것을 보여주고 있다. 이 연구는 효소 거동의 기본적이지만 인정되지 않은 측면을 밝힌다. 그것은 운동 단백질들이 이동하는 방식에 대해서 더 잘 이해하게 해줄 수 있을 것이고 과학자들이 합성 세포 안에서 쓸모있는 일을 하도록 합성 효소들을 고안하는 것을 도울 수 있을 것이다. 효소들이 세포 안에서 스스로 밀어낸다는 생각은 Ayusman Sen, Peter J. Butler 그리고 펜실베이니아주립대(Pennsylvania State University)에 있는 동료들에서 시작되었다. 지난 몇 년 동안에, 그들은 효소 반응들이 용액에서 효소들의 움직임을 늘린다는 것을 보여주었다. 이러한 거동의 이유는 알아내기 쉽지 않았다. 캘리포니아대 버클리캠퍼스(University of California, Berkeley)의 Carlos Bustamante와 Susan Marqusee, 인디아나대-퍼듀대 인디아나폴리스(Indiana University-Purdue University Indianapolis)의 Steve Presse, 그리고 동료들이 이제 그 현상의 근원이 되는 이유를 알아냈다(Nature 2014, DOI: 10.1038/nature14043). 그들은 네 가지 효소들-과산화수소분해효소(catalase), 요소 분해효소(urease), 알칼리성 인산 분해효소(alkaline phosphatase), 3탄당 인산 이성질체화 효소(triose phosphate isomerase)-의 단일-분자 형광 상관 분광법(single-molecule fluorescence correlation spectroscopy) 연구를 수행했다. 이 연구는 용액에서 네 가지 효소들의 확산 속도가 촉매되는 반응에 의해서 생기는 열의 양에 의존한다는 것을 보였다. 효소가 한 반응을 촉매할 때마다, 그 효소는 스스로에게 작은 추진력을 준다는 것을 연구팀은 발견했다. 한 세기 이상의 효소 동력학 연구에서, “대부분의 경우에 효소들이, 단일 분자로서가 아니라, 대량으로 연구되었기 때문에 이 효과를 놓쳐었다”고 Bustamante는 말했다. 그 연구는 “효소들이 그들의 활성 부위에서의 반응들에 의해서 생성되는 열에 의해서 동요되지 않는다는 보통의 생각에 도전함으로써, 효소 촉매에 대한 우리의 일반적인 이해를 더해준다”고, 프랑스의 국립과학연구센터(National Center for Scientific Research)와 에스-마르세유대(Aix-Marseille University)의 효소 동력학 전문가인 Athel Cornish-Bowden은 말했다. Presse, Bustamante, Marqusee와 동료들은 각각의 활성 부위 반응에 의해서 생성된 열 에너지의 파동들이 그 효소의 표면에 그 효소가 특정한 방향으로 이동하게 하는 힘을 가한다고 믿었다. 이동시키기 위해서 활성 부위는 그 효소의 구조에서 상쇄되는 위치에 있어야 한다. 만약 그것이 이론적인 구형 효소에 있는 부동 중심에 있다면, 그 파동은 그 효소의 외부 표면에 있는 모든 점들에 동시에 도달하여 지향성 힘들이 서로서로 상쇄될 것이다. 그 연구자들은 각각의 반응 이벤트로부터 나오는 열이 또한 효소의 구조에서 부분적인 풀림이나 다른 구조적인 변화를 일으킬지도 모른다고 의심했다. 그러한 변화들은 효소들이 부차적인 반응 이벤트들을 촉매하기 전에 각각의 변형으로부터 회복하기 위해서 특정한 시간을 필요로 할지도 모르기 때문에 효소 순환율을 조절할 수 있을 것이다. “이 연구는 우리에게 인공 효소를 만들기 위해서, 활성 부위를 디자인 하는 것뿐만 아니라, 또한 반응의 열에 대한 단백질 골격의 전체적인 반응도 중요하다는 것을 말해준다“고 Bustamante는 말했다. 펜실베이니아주립대의 Sen은 이 연구가 “표적화된 약물 전달을 포함해서, 살아있는 시스템에서 생물활성제들을 적극적으로 수송할 수 있는 효소에서 동력을 얻는 로봇이나 합성 운동 단백질의 디자인으로 이끌어줄 수 있을 것”이라고 평했다. 초기 펜실베이니아주립대의 연구와 함께, 이 새로운 연구가 “반응의 순간에 단일 효소의 국부적인 환경을 탐침하기 위한 방법을 제공한다”고 Butler는 말했다. Enzyme Catalysis.jpg http://cen.acs.org/articles/92/i50/Enzyme-Catalysis-Moving-Experience.html