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단백질은 생체 정보를 갖고 있는 유전자로부터 생성되어 세포 내에서 일어나는 모든 생명현상에 관여하는 고분자 유기물질이다. 단백질은 수십에서 수만개의 아미노산(amino acid) 연결체로, 20가지의 서로 다른 아미노산들이 펩타이드결합이라고 하는 화학 결합으로 연결되어 있어 폴리펩타이드(polypeptide)라고탹 한다. 단백질은 생물체의 구성 성분, 효소나 호르몬, 면역을 담당하는 항체 등 여러 가지 형태로 중요한 역할을 수행한다.
단백질은 모양이 있나
인간이 각기 다른 생김새를 갖고 있듯이 단백질도 고유의 모양을 지니고 있다. 대부분 단백질은 이러한 특정한 모양을 갖추고 있을 때 제 기능을 할 수 있다. 최초로 밝혀진 단백질 모양은 1958년 영국 케임브리지의 존 캔드류에 의해 밝혀진 미오글로빈이다. 캔드류는 엑스선 회절 방법으로 미오글로빈의 생김새를 확인할 수 있었다. 캔드류는 당시 인터뷰에서 단백질의 모양은 매우 복잡하고 규칙성이 없다고 말한 바 있다. 당시의 화학 지식으로는 복잡한 모양의 고분자가 특정 형태를 갖고 존재한다는 것은 생각하기 힘든 일이었다. 단백질은 다양한 기능을 수행하기 위해 복잡한 모양을 가질 수밖에 없다. 현재 미생물에서 인간에 이르기까지 생명체에 기여하는 단백질의 모양은 약 4만5000종이 밝혀져 있다.
단백질은 왜 중요한가
단백질은 생명현상을 유지하기 위한 다양한 생체기능을 수행한다는 점에서 그 중요성을 인식할 수 있다. 또한 단백질의 다양한 기능은 산업적, 의학적으로 응용된다.
1970년대에 유전자재조합기술이 개발되면서 특정 기능을 갖는 단백질들을 대장균 바실러스 혹은 효모에서 대량 생산할 수 있게 되었다. 일반적으로 생물공학기술에 의해 생산되는 단백질은 크게 의약용 단백질과 산업용 단백질로 나뉜다. 흔히 단백질 의약품은 '황금알을 낳는 거위'라고 한다. 1982년 최초로 재조합 기술을 이용하여 대장균에서 만들어진 단백질이 인슐린이다. 2025년 전 세계의 당뇨병 환자는 3억8000만 명에 이를 것이라고 한다. 왜 단백질 의약품이 황금알 거위인지 짐작할 수 있을 것이다. 현재 단백질 의약품은 종양계 면역계 유전질환 혈액질환 호흡기질환 등으로 확대돼 대략 400여 종이 개발되고 있다.
효소단백질의 산업적 이용은 약 130여년 전 어린소의 위에서 얻은 우유 응고 효소인 레닌으로 치즈를 제조한 것이 시초다. 식품제조에 주로 사용되다가 근래에는 의약품, 정밀화학 등으로 사용범위가 넓어지고 있다.
단백질이야기
재미있는 단백질의 예는 어떤 것들이 있을까. 2006년 말 국제 해양 생물 개체수 연구팀은 대서양 해저 3.2km지점에 있는 400℃의 뜨거운 열수구에 새우가 살고 있는 것을 발견했다. 펄펄 끓는 물에서도 살아남는 그야말로 '독한' 새우다. 이 새우 말고도 '독한' 생물이 또 있다. 눈에 보이지 않는 작은 생물인 초고온성 미생물이 주인공. 이들은 100℃가 넘는 온천, 400℃가 넘는 열수구 근처 등 극한 환경에서도 꿋꿋이 살고 있다. 이들이 고온의 환경에서 어떻게 살 수 있을까. 해답 중 하나는 특별한 효소단백질을 갖고 있기 때문이다. 그 효소가 바로 역자이라아제(Reverse gyrase)라는 단백질이다. 생물의 DNA는 열을 받으면 구조가 풀려 변성이 되지만, 초고온성 미생물에 있는 역자이라아제는 DNA 구조를 안정되게 유지할 수 있도록 도와준다.
질병에 관련된 단백질의 모양을 알 수 있으면 치료약을 만들 수 있다. 가장 잘 알려진 것은 에이즈 치료약이다. 에이즈를 일으키는 바이러스 HIV의 단백질 분해 효소인 프로테이즈는 에이즈 바이러스의 생존에 필수적인 단백질이다. 이 단백질의 모양이 1989년 엑스선 결정화법에 의하여 밝혀져 이를 토대로 제약회사에서 치료약을 개발했다. 그 효과로 에이즈 감염 환자의 생존율이 획기적으로 개선되었다.
최근 단백질의 중요성에 대해 우리는 많은 이야기를 접하고 있다. 세포 내에서 일어나는 생명현상을 직접 수행하는 단백질에 대해 아는 것은 매우 중요한 일이다. 그래서 과학자들은 단백질에 대해 많은 연구를 하고 있다. 김명희 한국생명공학연구원 선임연구원
주최 : 국제신문 과학기술부 한국과학재단 부산과학기술협의회
시간 : 매주 금요일 오후 7시, 장소 : 부산역 대회의실
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