지스트(광주과학기술원)은 화학과 김정욱 교수 연구팀이 생명현상 핵심인 단백질 합성과정에 관여하는 '운반 RNA(tRNA)'의 화학적 변형 기작 및 필수 요인을 규명했다고 27일 밝혔다.
현재까지 결정화에 사용된 기질인 세린-특이적 tRNA의 온전한 고해상도 구조도 알려진 바가 없었는데, 이번 연구의 공결정 구조 규명으로 세계 최초로 확인됐다.
운반 RNA(tRNA·transfer RNA)는 유전자 발현을 통한 단백질의 합성에 관여하는 RNA로, 유전자 암호를 해독하고 아미노산을 전달하는 역할을 한다.
연구팀은 효소 -tRNA 복합체 구조를 바탕으로 생체 내 화학적 변형에 대한 연구를 수행했다.
단백질은 우리의 몸을 구성하는 핵심 요소이다. 단백질을 만드는 유전정보가 들어있는 DNA가 RNA 형태로 복사된 뒤 단백질 생산 공장인 리보솜으로 전달돼 다양한 형태와 기능의 단백질이 만들어진다. RNA는 이 과정에서 핵심 역할을 담당한다.
세포 내 정상적으로 작동하는 단백질을 합성하려면 리보솜에서 tRNA에 의한 번역과정이 오류 없이 일어나야 하는데, 그렇지 못한 경우 잘못된 단백질이 합성되어 생명 유지에 필수적인 작용들이 일어날 수 없게 된다.
tRNA가 효과적으로 기능하기 위해서는 tRNA 분자 내에 화학적 변형이 선행되어야 한다. 각각의 화학적 변형은 서로 다른 tRNA 변형 효소에 의해 조절된다.
tRNA 변형이 진행되지 않으면 제대로 된 단백질 합성이 어려워지고 궁극적으로 생명 유지에 치명적일 수 있어 tRNA 변형의 역할 및 효소의 조절 기작을 이해하는 것은 매우 중요하다. tRNA 변형의 원리는 기질 tRNA와 결합된 변형 효소가 이루는 복합체의 구조를 얻음으로써 가장 효과적으로 이해할 수 있다.
연구팀은 CmoM 효소와 세린-특이적 tRNA의 고해상도 공결정 구조를 X-선 결정학을 통해 규명하고, 이 구조를 통해 효소가 어떻게 기질인 tRNA를 선택적으로 인식하고 메틸기를 안티코돈 워블 유리딘에 전달하는지 확인했다.
세린-특이적 tRNA가 지니고 있는 안티코돈 워블 유리딘 위치는 화학적 변형이 다른 위치에 비해 극심하게 일어나고 유전자 암호 해독에 특히 중요하다고 알려져 있다.
지금까지 복합체 구조가 부재해 CmoM 효소의 작동원리 및 메틸기를 받아들이는 기질 tRNA를 원자 수준에서 이해하기에 많은 한계가 있었는데, 연구팀이 새로운 구조를 밝혀냄으로써 이 한계를 극복한 것이다.
김정욱 교수는 "이번 연구 성과는 단백질 번역에 필수적인 tRNA, tRNA 변형에 관여하는 단백질 효소의 구조 기반 메커니즘 연구로 생체 내에서 변형 활성이 어떻게 일어나는지, 또한 변형이 부재하면 어떤 결과가 초래되는지를 이해하는 데 중요한 실마리를 제공할 것"이라고 말했다.
김 교수가 지도하고 유재헌 박사과정생이 수행한 이번 연구는 생화학 분야 국제학술지인 'Nucleic Acids Research'에 지난달 17일 온라인 게재됐다.
이정민기자 ljm7da@mdilbo.com
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'인체·식물 등 활용' 지스트, 전자소자 구동속도 100배 향상
제안된 패터닝 기술을 이용한 이온 주입 방향 조절 방식 모식도.국내 연구팀이 소프트 생체전자인터페이스 구현에 핵심 소재인 '유기물 혼합형 전도체 내 이온 주입 방향 조절 기술'을 개발해 전기화학 트랜지스터 소자 구동 속도를 기존보다 100배 이상 향상시켰다.광주과학기술원(지스트)은 신소재공학부 윤명한 교수 연구팀이 영국 퀸 메리 런던 대학교(Queen Mary University of London·QMUL) 연구팀과 함께 유기 반도체 분자 합성 기술로 분자 배열 방향을 조절하고, 회로 패터닝 기술로 이온 주입 방향을 조절해 분자 방향 맞춤형 이온 주입을 통해 소자의 구동 속도가 크게 향상될 수 있음을 입증했다고 29일 밝혔다.이번 연구 성과는 고성능 뉴로모픽 소자 및 고속 생체전자 신호 센서 개발 등 관련 분야 활성화에 기여할 것으로 연구팀은 보고 있다. 또 유기물 혼합형 전도체를 식물용 생체전자인터페이스로 활용 시 차세대 스마트팜용 작물 모니터링 기술에 광범위한 적용이 가능하다는 게 연구팀 설명이다.유기물 혼합형 전도체는 상용 전자기기에 활용되는 실리콘 및 산화물 반도체에 비해 월등한 정전용량과 높은 전기적 스위칭·증폭 특성으로 인간의 뇌를 모사하는 뉴로모픽 소자의 활성층으로 각광받아 왔으나, 혼합형 전도체의 고질적인 문제인 느린 이온 이동도(Ionic Mobility)가 뉴로모픽 소자 성능 향상에 걸림돌이었다.이에 연구팀은 유기물 혼합형 전도체의 이온 이동도 및 이를 활용한 소자 구동 속도에 영향을 주는 주요 인자가 분자 배열 방향 및 이온 주입 방향임을 규명하고, 두 인자를 한 방향으로 정렬시켰다.윤명한 교수(왼쪽), 김지환 박사.또 이온 주입 방향과 분자 배향이 평행이 될 때, 수직인 경우에 비해 전도체 내 이온의 이동 속도가 10배 가까이(기존 1.8㎛/s에서 17㎛/s) 빨라지는 것을 확인했다. 평행일 때 혼합형 전도체 내를 이동하는 이온의 총 이동 거리가 감소함에 따라 소재 내 이온의 이동 속도가 빨라졌는데, 이로써 소자의 구동 속도가 100배 이상 향상됐음을 확인했다.결과적으로 방향만 바꿔줬을 뿐인데 동일 재료를 사용한 소자(155ms)에 비해 100배 이상 빠른 구동 속도를 갖는 소자(0.9ms)를 구현하는 데 성공했다.윤명한 지스트 교수는 "이번 연구를 통해 전자 전도 특성에만 관여하는 것으로 알려진 유기물 혼합형 전도체의 분자 배향이 이온 전도 특성에도 관여한다는 사실을 규명했다"며 "향후 고성능 뉴로모픽 소자 및 고속 인체·식물 생체전자신호 센서 개발 가속화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.한편, 윤명한 교수와 영국 퀸 메리 런던 대학교의 Christian Bech Nielsen 교수가 주도하고, 김지환 지스트 박사과정 학생과 퀸 메리 런던 대학교 Roman Halaksa 학생이 수행한 이번 연구는 다학제(multidisciplinary) 분야 상위 8% 국제 저명 학술지인 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 28일 온라인 게재됐다. 이정민기자 ljm7da@mdilbo.com
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