울산과학기술원(UNIST)이 단백질 덩어리인 효소에 미량 포함된 금속 이온의 새로운 역할을 찾았다.

김철민·김채운 물리학과 교수팀은 탄산탈수효소 활성 부위의 3차원 구조변화를 추적, 효소 속 금속이온(금속 보조인자)이 효소 반응을 조절하는 새로운 메커니즘을 제시했다고 14일 밝혔다.

탄산탈수효소는 이산화탄소(반응물)를 혈액에 잘 녹는 탄산형태(생성물)로 바꾸는 것을 돕는 효소다. 자연 상태에서 이 효소는 아연 이온을 포함하고 있다.

이 아연 이온을 유사한 화학적 성질을 갖는 다른 금속 이온으로 바꾸면 효소 성능(활성)이 급격히 떨어지는 현상이 발생하는데, 이번 연구로 그 이유를 설명할 수 있게 됐다.

김채운 교수는 "효소 안에 미량 포함된 금속 이온이 광범위하고 섬세한 작용을 통해 효소 활동을 총괄하는 지휘자 역할을 한다는 것을 알아낸 것이 이번 연구의 의의"라고 밝혔다.

이번 연구를 통해 금속 이온 주위의 '입체적 기하구조'(배위결합 기하구조)가 효소 활성 정도를 결정한다는 사실을 규명했다.

연구진은 '고압력 급속 냉각 기법'을 이용해 효소 반응이 일어나는 짧은 순간을 포착할 수 있었다. 효소에 이산화탄소 기체를 주입한 뒤, 급격히 냉각시키는 방식으로 반응 순간을 포착한 것이다.

연구진은 4종류의 금속 이온을 갖는 효소와 금속 이온이 없는 효소 결정을 이 기법으로 제조하고, X-선 결정학 기법으로 분석해 결론을 도출했다.

김철민 교수는 "이번 연구는 효소 반응의 중간단계를 포착하기 위한 수년간 집요하게 노력한 결과물"이라면서 "효소 활성도를 조절하는 방식의 신약 개발, 금속 이온과 단백질 간 상관관계를 밝히는 연구에 큰 진전이 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 11일 자에 실렸다.