TagsArticle Source
Computational Protein Design Then & Now (1988-2024)
Discover the strategies that created the field and shape its progress today.
- 초기 연구: 1980년대 후반부터 시작된 단백질 디자인 연구는 자연 진화 과정 없이 새로운 단백질을 만들 수 있다는 아이디어에서 출발했습니다. Bill DeGrado와 Ly Reagan은 생물학적 서열이 아닌 서열로도 접힌 구조를 만들 수 있음을 보였고, Steve Mayo와 동료들은 컴퓨터를 이용해 단백질 구조를 디자인할 수 있음을 입증했습니다. Brian Coleman은 유연한 골격 단백질 디자인 방법을 개발했습니다.
- 방법론 발전: 단백질 골격 고정, 측쇄 회전 이성질체, 원자 기반 힘 필드, 조합 최적화 방법(데드 엔드 제거, 몬테카를로), 음성 디자인 등을 활용한 방법론이 개발되었습니다. 특히, 반데르발스 포텐셜 튜닝을 통해 단백질 코어 디자인의 정확도를 높였습니다.
- 주요 성과: 하이퍼서모필릭 단백질 변이체 디자인, 아연 결합이 필요 없는 새로운 단백질 폴드(zi 268) 디자인, 효소와 유사한 단백질 디자인 등이 이루어졌습니다.
- Top7 디자인: 혼합 알파-베타 단백질 디자인에 대한 내용입니다. 이 단백질은 당시 PDB에서 볼 수 없었던 새로운 폴드를 가지고 있었습니다. Top7 디자인은 단백질 백본 생성과 서열 디자인의 두 단계로 나뉘어 진행되었습니다. 백본 생성에는 Rosetta라는 분자 모델링 프로그램이 사용되었으며, 서열 디자인에는 역단백질 폴딩 문제가 해결되었습니다.
- 현재 연구 방향: 작은 분자 결합에 특이적인 단백질 디자인, 독소 및 약물에 대한 반전제 개발, 약물동력학적 특성 변화를 위한 캐리어 개발, 새로운 효소 디자인 등이 진행 중입니다. 특히, 비천연 반응을 촉매하는 효소 디자인에 성공했으며, 이는 의약 및 화학 산업에 응용될 수 있습니다.
단백질 구조 파악
단백질의 구조를 파악하는 것은 단백질이 어떻게 기능하는지를 이해하는 데 핵심적인 역할을 한다. 단백질은 아미노산으로 이루어진 고분자 물질인데, 단순히 아미노산 서열만 알아서는 그 기능을 정확히 예측할 수 없다. 단백질이 세포 안에서 특정한 일을 하려면 3차원적인 입체 구조를 가져야 하고, 이 구조에 따라 상호작용하는 분자들이 달라지기 때문이다.
구조를 알면 단백질이 어떤 기질과 결합하는지, 어떤 화학 반응을 촉진하는지, 혹은 어떤 신호를 전달하는지 예측할 수 있다. 예를 들어, 효소의 경우 활성 부위가 특정 모양으로 접혀 있어야만 기질과 맞물려 화학반응을 촉진할 수 있다. 구조를 모르면 효소의 메커니즘을 설명하거나, 이를 바탕으로 약물을 설계하는 것도 불가능하다.
또한 단백질 구조 정보는 질병 연구와 신약 개발에도 매우 중요하다. 암, 알츠하이머, 감염병 같은 질환들은 종종 단백질의 구조 변화나 오작동과 관련이 있다. 단백질의 구조를 알면 이 구조를 표적으로 삼아 약물을 설계할 수 있고, 단백질 기능을 조절하거나 차단하는 치료법을 만들 수 있다.
마지막으로, 단백질 구조를 이해하는 것은 진화적 관계를 추적하는 데도 도움이 된다. 서열은 달라도 비슷한 구조를 가진 단백질들은 공통 조상에서 유래했을 가능성이 크기 때문이다. 따라서 단백질 구조 연구는 생명현상의 근본을 이해하고, 의학적·공학적으로 응용하는 데 필수적인 과정이다.