(글)   엄수현 광주과학기술원 생명과학과 교수 eom@gist.ac.kr  (* 는 용어설명참조)

2009년 10월 7일 스웨덴의 왕립한림원 노벨화학상 수상위원회는 리보솜 연구에 기여한 공로로 라마크리슈난 박사 (57세, 영국 MRC분자생물학연구소),  스타이츠 박사 (69세, 미국 예일대) 및 요나스 박사 (60세, 이스라엘 와이즈만연구소) 등 세 명을 올해의 노벨 화학상 수상자로 선정했다.

수상자 3명은 X-선 결정학방법을 통해 생체내 단백질합성공장인 리보솜의 삼차원구조를 규명하여 이 복합체의 작동원리를 밝혔고, 이결과는 각종 질병에 대한 항생제를 개발하는데 획기적인 기여를 하게 되었다.

리보솜과 Central Dogma (유전정보의 전달, 발현에 관한 중심가설)
1958년에 크릭 박사가 센트럴도그마로 주장하였듯이, 유전자DNA의 유전정보는 핵에서 mRNA(전령RNA)에 전사 (transcription)되어 세포질로 이동한 뒤, mRNA는 리보솜에 결합하고 tRNA*(운반RNA) 등의 작용에 의해 번역 (translation)되어 유전암호에 따라 특정 아미노산들이 연결되어 단백질이 합성된다. 유전자암호에 따라 합성된 수천~수만 종류의 단백질들은 세포내 각종 화학반응의 촉매역할을 하는 효소기능, 항체를 형성하는 면역기능, 세포구조 형성 및 유전형질의 발현조절기능 등 생명현상을 가능하게 해주는 행동대원 역할을 한다.

리보솜의 구성 및 기능
박테리아의 리보솜 (70S*)은 30S와 50S 서브유닛으로 구성된 2.3 MDa*의 초거대 복합체이다. 30S 서브유닛은 21종의 단백질들과 약 1500개 정도의 뉴클레오타이드로 구성된 rRNA (리보조멀 RNA, 16S)로 이루어져있고, 보다 큰 50S 서브유닛은 34종의 단백질들과 약 3000 뉴클레오타이드로 구성된 23S rRNA와 120 뉴클레오타이드로 구성된 5S rRNA로 이루어져있다. 리보좀에는 세 개의 tRNA* 결합가능부위 (A자리, P자리 및 E자리)가 두 서브유닛의 경계면에 위치하고 있는데, 번역될 mRNA가 30S 서브유닛에 결합하게 되면 50S 서브유닛에서 아미노산이 결합되어 있는 tRNA를 이용하여 펩타이드* 합성반응이 일어난다. 이과정은 3단계로 구성되어 있다.
(동영상은 http://www.hhmi.org/biointeractive/media/DNAi_translation_vo1-lg.mov 참고)

초기화:
30S 리보솜에 mRNA가 결합하고, 이를 읽는 과정에서 시작코돈이 있으면 초기화인자 (IF1, 2, 3)들의 도움으로 P자리에 포밀기가 붙어있는 메티오닌과 결합한 tRNA가 도입된다. 여기에 50S가 결합하여 A자리가 비어있는 70S가 만들어 지면서 단백질합성과정이 시작된다.

폴리펩타이드의 연장:
(1단계) P자리에는 (폴리)펩타이드를 달고 있는 tRNA가 붙어있고, A자리에 있는 mRNA의 코돈에 해당하는 아미노산과 결합해 있는 tRNA가 연장인자 Tu (EF-Tu)의 도움으로 들어온다. (2단계) P자리의  tRNA에 붙어있는 (폴리)펩타이드가 A자리에 들어온 새로운 tRNA의 아미노산간에 펩타이드 결합이 형성되어 옮겨간다. (3단계) 연장인자 G (EF-G)의 도움으로 P자리의 (폴리)펩타이드가 떨어져나간 tRNA가 E자리로 빠져나가고, mRNA가 한 스텝 (3 뉴클레오타이드, 1 코돈) 움직이며, A자리의 폴리펩타이드-tRNA 중합분자가 P자리로 옮겨가면서 A자리가 비게 된다. (1)~(3)과정이 반복되면서 폴리펩타이드 사슬이 길어진다.

종료: 종료코돈은 분리인자 (RF1또는 RF2)에 아미노산이 결합되지 않는 종료 tRNA가 결합되면, 합성된 폴리펩타이드가 떨어져 나가면서 단백질 합성이 끝난다.

리보솜 구조연구
리보솜의 단백질 합성반응 메커니즘을 이해하고,  항생제가 어떻게 리보솜의 기능을 억제하는지, 그리고 오랜 항생제의 사용으로 인한 내성을 가진 돌연변이 리보솜의 출현을 막을 새로운 항생제의 개발을 위해서는 리보솜에 대한 원자수준의 해상도를 가진 삼차구조 정보가 필요하다. 리보솜에 대한 구조에 대한 연구는 2.3 MDa에 이르는 리보솜의 방대한 크기 때문에 여러 가지 많은 어려운점이 있는데, 이를 극복할 수 있는 방법의 개발을 통하여 구조생물학의 기술발전의 역사를 알 수 있을 정도이다. 1955년 Palade에 의해 리보솜이 전자현미경 사진으로 확인된 이래 1980년대부터 고세균* 유래 리보솜의 X-선 구조 해석을 위한 결정화의 노력이 요나스 박사, 시로코프 박사 등에 의해 시작되었다. 50S 서브유닛의 결정이 1980년 요나스 박사 그룹에 의해 만들어진 이후 30S 및 70S에 대한 결정이 속속 만들어 졌으나 회절 해상도*가 좋지 않았고, 1990년대에 들어와서야 요나스 박사 그룹에 의해 고해상도까지 회절하는 결정을 얻을 수 있었다. 이후 10여 년간 스타이츠 박사와 라마크리슈난 박사를 포함하는 여러 그룹에서도 각 서브유닛들에 대한 결정을 만들어 구조해석을 시도하였으나 위상문제에 봉착하여 성과를 얻지 못하고 있었다.

X-선결정학을 이용한 생체고분자 구조해석방법

1998년에 드디어 스타이츠 박사 그룹에서 중금속 유도체를 이용한 방법과 프랭크 박사 그룹에 의해 1995년에 발표된 EM 지도를 활용하여 위상문제를 해결함으로써 50S 서브유닛에 대한 저해상도 (9Å*) X-선 구조를  최초로 해석하였다. 곧이어 다음해에 스타이츠 박사 그룹에서 50S 서브유닛에 대한 중해상도 (5Å) 구조를 발표하였고, 같은 해에 라마크리슈난 박사 그룹과 요나스 박사 그룹에서 30S 서브유닛에 대한 중해상도의 구조를 발표하였다.

70S에 대해서는 같은 해에  놀러 박사 그룹 (UC 산타 크루즈)에서 최초로 7.8Å 구조를 발표하였다. 뉴 밀레니엄의 시작인 2000년은 과히 리보솜 X-선 구조연구에 있어서 세기적인 업적을 이룬 해였다. 스타이츠 박사그룹 (50S), 라마크리슈난과 요나스 박사 그룹 (30S)에서 드디어 고해상도 (~3Å)의 구조를 풀게 되고, 2001년에는 요나스 박사 그룹에 의해 그램양성균의 50S 서브유닛의 구조가 해석됨으로 인해 항생제 개발에 큰 기여를 하게 되었다. 같은해 놀러 박사 그룹에서 70S에 대한 해상도를 높였고, 2005년에 이르러 케이트 박사 (UC 버클리대)에 의해 3.5Å로 규명되게 된다.

리보솜 구조연구의 연대기

2009년 노벨화학상을 수상하게 된 리보솜의 X-선 구조규명에의 기여 관점에서 보면 요나스 박사는 황무지에서 가장 먼저 리보솜의 결정을 얻어낸 개척자로서 동결 X-선회절법을 개발에 기여하여 고해상도의 회절데이타를 얻을 수 있는 방법을 찾은 공로가 크고, 스타이츠 박사는 저해상도 이기는 하지만 가장 먼저 위상문제를 해결하여 최초의 리보솜 X-선 구조를 해석한 공로가 크고, 라마크리슈난 박사는 스타이츠 박사와 함께 이후 고해상도의 구조를 해석한 공로가 크다고 생각한다. 만약 노벨상이 네 명에게 수상될 수 있었다면, 분명 네 번째 수상자는 가장 구조해석이 어려웠던 70S에 대한 구조를 규명한 놀러 박사에게 돌아갔을 것이다.

리보솜 구조의 의미 및 항생제개발에 기여
2009년 10월 현재 단백질구조은행 (PDB*)에는 60,700여개의 구조가 등록되어 있는데, 이중 86%는 X-선 결정학방법으로 해석된 것이다. 리보솜은 분자량이 2.3 MDa에 이르는 비대칭성을 갖는 거대복합체로서, 지금까지 보고된 비대칭적 구조들 중 가장 분자량이 큰 기록을 세웠다. 위에서 언급하였지만, 거대분자구조를 해석할 수 있었던 것에는 세계적인 대가들의 연구에 대한 집념이 무엇보다도 중요하였겠지만, 공동연구 및 상호경쟁 시스템도 크게 기여  했다고 생각된다.

특히 리보솜 구조연구를 하면서 개발된 결정화기술, 동결결정학방법, 방사광*의 활용, 위상문제 해결기술 등의 발전은 리보솜구조해석이 가능하게 해주었을 뿐만 아니라 다른 생체고분자 구조해석에도 지대한 영향을 미쳤다.

리보솜의 구조해석을 통하여 단백질 합성과정의 메커니즘을 보다 상세히 알게 되었는데, 그중에서 특이할만한 것이 촉매작용을 갖는 rRNA의 기능이다. 일반적으로 생체내에서 화학반응을 촉매하는 작용은 단백질 (효소)이 담당하고 있는데, 1970년대 후반부터 rRNA가 촉매기능을 한다는 증거가 확보되기 시작했고, 2009년 라마크리슈난의 70S 복합체에 대한 고해상도 구조로부터 폴리펩타이드 합성의 촉매작용에는 리보솜 구성단백질 (50S의 L27과 L16), A-자리와 P-자리에 결합된 두 tRNA (3‘CCA말단) 그리고 rRNA 가 참여함을 증명할 수 있었다.

2차 세계대전 이후 박테리아의 감염에 대한 치료제로써 대대적인 항생제의 사용으로 인하여 항생제에 내성이 생긴 슈퍼박테리아와 같은 변종 박테리아가 출현하게 되어, 새로운 항생제의 개발의 필요성이 공중보건에 중요한 이슈가 되고 있다. 현재 사용되고 있는 박테리아 대상 항생제의 절반이 리보솜을 타깃으로 하며, 우리에게 잘 알려진 대표적인 항생제로써, 스트렙토마이신, 테트라사이클린, 에리스로마이신, 클로람페니콜, 퓨로마이신 등이 있다. 놀러 박사 그룹의 연구결과를 포함한 30S, 50S 및 70S 리보솜구조와 항생제들과 복합체 구조는 구조기반 신약개발 (SBDD*)방법을 이용한 내성 박테리아에 대항 할 수 있는 신규 항생제 개발에 지대한 기여를 할 것이다.

에필로그
필자는 서울대학교 화학과에서 박사학위 (지도교수 서세원) 과정 동안 생명공학연구원의 이대실 박사님과 공동연구로 유전자증폭반응 (PCR*)에 사용되는 Taq DNA 중합효소의 결정구조 연구를 시작하였다.

행운이 따라 3.5Å까지 회절하는 단백질결정을 만들 수는 있었으나 상온에서 X-선 노출에 의하여 급격하게 결정이 손상 되어 구조를 해석할 수가 없었다.

이때 예일대학의 스타이츠 교수 연구실에 박사후연구원으로 있던 김영수박사 (현 서울대학교 의과대학)와의 공동연구 기회가 주어져, 스타이츠 박사 그룹에서 1993년 당시 한창 기술이 개발 중이던 동결X-선 회절법을 활용하여 Taq DNA 중합효소의 3.2Å 구조를 해석할 수 있었다 (김영수 등, 1995 Nature). 이후 스타이츠 박사 연구실에서 박사후 연구과정 동안 DNA와의 복합체 구조를 해석하여 DNA 증폭반응의 메커니즘을 이해할 수 있었다 (엄수현 등, 1996 Nature).

스타이츠 교수는 사진에서 보이는 대로 잘 정돈된 하얀 턱수염이 돋보이는 산타클로스 할아버지모습 그대로의 자상하고 인자한 성품을 지니고 있고, 고등색 랜드로버에 밝은 아이비색 면바지와 푸른색 계열의 Y셔츠위에 짙은 군청색의 재킷을 걸친, 깔끔하면서도 전형적인 아이비리그 색깔을 내는 스타일을 좋아한다. 실험실에서 함께 연구하던 20여명의 식구들을 종종 댁으로 초대하면, 각자 음식 (내가 만들어간 김밥은 맛이 별로였는지 많이 남기도 했지만)을 가져와서 즐거운 주말을 보낸 기억을 떠올려보니 힘든 미국생활에 큰 힘이 되지 않았던가 생각된다. 특히 저택이 바다 (아쉽게도 태평양이 아닌 대서양)를 접하고 있어 날씨 좋은 여름에는 (해안에 해파리가 많아서 가끔 쏘이는 친구들도 있었지만) 수영도 하면서 가끔이나마 한가로운 시간을 보낸 기억도 떠오른다. 평생을 한길로 달려가고 있는 스타이츠 교수의 노벨상 수상을 진심으로 축하드리며 이글을 마친다.

BOX1. X-선결정학 개요
생체고분자의 삼차구조을 실험적으로 해석하는 방법에는 크게 전자현미경 (EM), 핵자기공명 (NMR)법과 더불어 X-선 결정학법이 사용되는데 PDB에 등록된 비율에서 알 수 있듯이 X-선 결정학방법이 주로 사용된다. 우선 연구대상이 되는 시료를 순수하게 대량 확보해야하며, 시료의 결정화 과정을 거치게 된다. 고해상도로 회절하는 결정을 얻는 것이 첫 번째 관문이라 할 수 있다. 이 결정으로부터 방사광* 등을 이용하여 회절강도자료를 수집한 뒤, 두 번째 관문인 위상문제를 해결하여야만 푸리에변환으로 전자밀도지도를 얻을 수 있다. 왜냐하면 각각의 회절된 빛은 파동 성질을 갖고 있기 때문에 진폭(강도, F)과 위상정보 (ϕ)를 알아야 회절된 빛의 특성을 알 수 있기 때문이다. 얻어진 전자밀도지도에 생체고분자를 모델링하여 안정화 시키는 과정을 거치면 구조해석이 완성된다.

X-선 결정학 방법은 자연과학 연구에 지대한 공헌으로 뢴트겐이 1901년 X-선의 발견으로 노벨 물리학상을 수상한 이래 15회 이상의 노벨상을 수상하게 되었는데, 최초의 단백질 (헤모글로빈) 구조해석으로 켄드류 박사와 페루츠 박사 등이 1962년 노벨 생리의학상을 수상하게 되었고, 같은 해에 그 유명한 DNA 이중나선구조로 웟슨, 크릭, 윌킨스 박사들이 노벨 생리의학생을 수상하게 된다. 리보솜구조 연구그룹들은 수년전부터 노벨상 후보로 거론되다가 드디어 올해 노벨화학상을 수상하게 되었다.

BOX2. 용어설명
* 고세균 (Archaea) : 박테리아(세균), 진핵생물과 함께 생물의 3대 도메인을 구성하는 원핵생물로서, 호열성세균 및 초고온성 세균 유래 단백질들은 일반 세균 유래 단백질들보다 비교적 단단한 구조를 이루고 있어 X-선 결정학방법을 이용한 고해상도 삼차구조 해석에 자주 이용된다.
* 방사광 (Synchrotron Radiation) : X-선 구조분석기술은 방사광의 특성, 즉 파장을 변화할 수 있는 강력한 X-선 빔을 사용하게 되면서 급속도로 발전하였다. 전하를 띤 입자를 가속하여 원형으로 돌게 하면 그 탄젠트방향 (접선방향)으로 빛이 발생하게 되는데 이를 방사광이라 한다. 우리나라에도 1994년 포항에 세계에서 다섯 번째로 제 3 세대 방사광 가속기사 건설되어 이용되면서 국내외 구조생물학 연구에 지대한 공헌을 하고 있다.
* 펩타이드 : 아미노산들이 결합되어 펩타이드를 만들고 길이가 길어진 것을 폴리펩타이드라고 하며, 이것이 잘 접혀서(folding) 단백질이 된다.
* 해상도 : 두 사물을 분간할 수 있는 거리 개념으로써, 생체고분자는 원자들로 이루어져 있으므로 생체고분자를 자세히 보려면 원자수준의 해상도가 필요하고 이 때문에 파장이 Å수준인 X-선을 이용하여 삼차구조를 분석하게 된다. 저해상도 (10Å 내외)구조에서는 생체고분자의 외형 이미지 정도를 볼 수 있고, 중해상도 (4~6Å정도)에서는 이차구조 정도를 구분할 수 있으며, 고해상도 (2~3Å정도)가 되어야 생체고분자의 구조를 자세히 볼 수 있어 구조-기능의 해석이 가능해 진다.
* Å (Angstrom) : 10-10 meter = 0.1 nm
* Da : 화학자 Jon Dalton의 이름을 딴 원자질량단위
* PCR (Polymerase Chain Reaction) : DNA 중합효소를 사용하여 유전자를 증폭하는 기술로써, 멀리스 박사가 이 기술 개발 업적으로 1993년 노벨화학상을 수상하였다.
* PDB (Protein Data Bank) : 단백질 구조정보 은행 (http://www.rcsb.org/)
* S : 초고속원심분리기를 개발한 1926년 노벨화학상 수상자인 Theodor Svedberg의 이름을 딴 침강속도단위
* SBDD (Structure Based Drug Design) : 약물 타깃 (주로 단백질)에 대한 고해상도의 구조는 약물과 타깃의 상호작용을 구조적으로 분석하는데 이용되어 새로운 약물의 디자인에 이용된다.
* tRNA : transfer RNA로서 3’말단에 활성화된 각각의 아미노산을 리보솜에 전달해주는 74~95개 뉴클레오티드로 구성된 RNA. 김성호교수 (UC 버클리대)가 70년대에 X-선 구조를 규명하였다.

<과학동아 11월호 게재>