보도자료

[2024. 1. 18.] 연세대 신종식 교수팀, 인공효소를 이용한 아민의 키랄전환 세계 최초로 성공 2024.01.18

신촌 홍보팀

연세대 신종식 교수팀, 효소 공회전의 비밀을 풀다:

인공효소를 이용한 아민의 키랄전환 세계 최초로 성공

- 광학활성아민 의약품 100% 분할생산을 위한 돌파구 마련 -

□ 고가의 의약품에 사용되는 광학활성아민1의 키랄전환2 바이오공정 개발 및 인공효소3 설계에 국내 연구진이 세계 최초로 성공했다.

1 가장 대표적인 광학활성아민 의약품은 머크사의 자누비아(당뇨병 치료제)로 연간 판매액은 1.5조원에 달한다. 이 밖에도 시알리스(발기 치료제), 타미플루(독감 치료제), 졸로프트(우울증 치료제) 등이 대표적 광학활성아민 의약품이다. 현재 개발중인 신약의 40% 이상이 광학활성아민으로 알려져 있다.

2 L과 D형 광학이성질체(optically active isomer)간의 전환(chiral inversion)을 말한다. 분자는 탄소에 결합한 네 개의 그룹이 모두 다를 경우 편광에 대해 반대의 광학적 성질을 보이는 L 및 D형 광학이성질체가 존재한다. 모든 생명체는 단일 광학이성질체만을 선택하여 진화해 왔으며 이는 생물학의 풀리지 않은 미스테리 중 하나이다. 예를 들어 단백질과 탄수화물은 각각 L-아미노산과 D-슈가로만 이루어져 있다.

3 생명체에는 키랄전환을 담당하는 효소인 라세메이스(racemase)가 존재한다. 그러나 광학활성아민의 키랄전환을 수행하는 효소는 아직까지 자연계에서 발견되지 않았으며 이번 연구를 통해 최초로 개발에 성공했다.

□ 연세대학교(총장 서승환)는 생명공학과 신종식 교수 연구진이 아민전달효소1의 공회전 사이클2에서 광학활성아민의 키랄전환이 일어날 수 있음을 발견하고 그 작동원리를 수학적으로 규명했다고 밝혔다. 또한 연구진은 단백질 재설계를 통해 공회전 사이클을 리프로그래밍하여 다양한 광학활성아민에 대해 키랄전환 활성을 갖는 인공효소의 개발에 세계 최초로 성공했다고 밝혔다.

1 아민전달효소(transaminase)는 아민계 화합물의 대사과정에 핵심적인 효소로 아미노산과 케토산 간에 아민 그룹을 전달한다.

2 공회전 사이클(futile cycle)은 대사과정에서 다단계 반응을 거쳐 다시 처음 상태로 돌아오는 반응 사이클을 의미한다. 비유하자면 자동차의 공회전과 같이 무언가 일은 하지만 겉보기에 변화가 없는 상태이다.

□ 광학활성아민의 환경친화적 바이오 생산기술 개발은 전 세계 제약회사의 뜨거운 관심분야 중 하나이다. 가장 대표적인 생산공정은 효소를 이용한 광학분할이지만 수율 50%의 한계로 인해 화학적 라세믹화1를 위한 추가공정이 필요한 실정이다. 100% 분할공정을 개발하기 위해서는 아민의 키랄전환을 수행하는 효소가 필요하지만 아직까지 자연계에서 발견되지 않았다.

1 순수한 L 또는 D형 광학이성질체를 각각 50%의 L/D 혼합물로 전환하는 반응을 의미한다.

□ 연구진은 아민전달효소의 반응을 연구하던 중 공회전 사이클에서 아민의 키랄전환이 진행됨을 우연히 발견했다. 이는 정밀한 키랄 특이성1을 갖는 효소의 기존 상식을 깨는 발견2으로 연구진은 컴퓨터 모델링을 통해 키랄 특이성의 미세한 실수가 반복되면서 L과 D-이성체간의 키랄전환이 진행됨을 밝혔다. 자연계에 존재하는 아민전이효소는 극히 제한적인 화합물에만 키랄전환 활성을 보였다. 따라서 연구진은 단백질 3차구조 재설계를 통해 가상 돌연변이체를 제작함으로써 다양한 광학활성아민에 대해 활성을 갖는 키랄전환 인공효소의 개발에 성공했다.

1 일반적으로 효소는 L 또는 D-이성질체 중 하나의 형태에만 특이적으로 활성을 갖는다.

2 처음에는 실험결과가 믿어지지 않아서 수차례 반복실험을 하고 나서야 키랄전환을 확신하게 됐다.

□ 연세대 신종식 교수는 “이번 연구성과는 효소를 이용한 의약품 생산기술에 취약한 국내 제약업계에서 수율 100%의 아민 광학분할 원천기술을 확보할 기회가 된다.”며, “향후 광학활성아민의 바이오 생산공정을 상업화하는 국내 제약회사가 꼭 등장하기를 기대한다.”고 밝혔다. 또한 “논문의 제1저자인 한상우 박사는 우리 실험실에서 학위를 마치고 현재 건국대 교수로 재직중이다.”라고 말했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업으로 수행된 이번 연구성과는 최고권위 국제학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 1월 2일 온라인 게재됐다.

붙임 1. 연구진 사진 1장.

2. 논문 이미지 2장. 끝.

(사진 설명)

1. (왼쪽부터) 연세대 장영호 연구원(제2저자), 신종식 교수(교신저자), 한상우 박사(제1저자), 장지수 연구원(제4저자)

2. 광학활성아민의 키랄전환. 대표적 광학활성아민인 α-메틸벤질아민의 키랄전환이다. 이번 연구에서 개발된 인공효소는 다양한 광학활성아민의 L과 D-이성체간의 전환을 가능하게 한다. L과 D-아민은 화학적으로는 동일하지만 서로 거울상 구조이기에 공간상에서 겹쳐지지 않는다.

3. 키랄전환 인공효소의 구조. 단백질 구조분석 및 도킹 시뮬레이션을 통해 변이체의 활성을 예측할 수 있다.

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