우리 몸에만 7만여 가지 있는 효소(enzyme)가 방향성을 갖고 움직인다는 흥미로운 사실이 관찰됐다. 우리원 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉(Steve Granick) 단장과 연구진이 효소 이동 기작에 대해 기존 가설을 뒤집는 연구 결과를 내놨다. 연구진은 그간 무작위 방향으로 운동하며 확산한다고 여겨졌던 효소가 박테리아처럼 움직인다는 사실을 보고했다.

효소는 생체에서 촉매작용을 일으킨다. 기질(반응물)은 효소를 만나면 화학 반응이 빨라지며 생성물이 되는데 이때 효소 자신은 변하지 않으면서 반응을 조절한다. 신진대사의 핵심 역할을 수행하는 효소의 덕분에 생명 유지에 필요한 반응들이 제때 만들어질 수 있다.

효소의 움직임에 관심을 가진 것은 비교적 최근이다. 효소 분자는 촉매 작용 외에는 아무런 영향을 받지 않는다. 따라서 액체나 기체 속에서 작은 입자들이 불규칙하게 움직이는 브라운 운동을 해야 한다고 알려져 있었다. 하지만 효소가 기질이 있는 곳에서 확산이 빨라진다는 연구들이 연이어 나오면서 효소가 화학쏠림성을 가지는 것이 아니냐는 가설이 유력하게 제시됐다. 화학쏠림성이란 효소와 같은 유기체가 특정 화학물질의 농도가 높은 쪽으로 움직이는 현상을 의미한다. 박테리아가 먹이를 찾을 때, 정자가 난자를 찾을 때 등 나타난다.

▲ 기존 연구에서는 효소가 자유로운 확산 형태인 브라운 운동을 해야 한다고 알려져 있었다. 이번 연구로 효소가 반-화학쏠림성을 가지며 달리기와 뒹굴기의 움직임을 가진다는 사실이 밝혀졌다.

그래닉 단장은 형광상관분석법(Flourescene Correlation Spectoscopy, 이하 FCS)과 FCS 분석법에 STED(Stimulated Emission Depletion) 기술을 접목해 실험을 진행했다. FCS는 레이저 빔을 시료에 쏴 빔 영역에 지나가는 형광 입자 정보를 얻는 분석법이다. 실험 대상인 효소에 형광 분자를 달고 FCS로 레이저 빔의 형광 변동을 감지한다. 레이저 영역을 지나는 입자 수, 확산 속도 등 통계적 정보를 얻는다. STED는 그래닉 단장 연구진의 강점 기술 중 하나로 빛의 회절 한계를 피하기 위해 고안된 현미경 기술이다.

먼저, 일반 FCS를 이용해 효소인 우레아제의 움직임을 관찰했다. 연구진은 기질과 효소의 상호작용만을 보고자 위치에 따라 농도 차가 나는 칩을 설계했다. 첫 번째 실험에서 연구진은 효소가 기질이 적은 쪽으로 이동함을 발견했다. 기질이 많은 쪽에는 효소 농도가 낮았고 기질이 적은 쪽에는 효소 농도가 높았다. 기존 화학쏠림성 가설을 뒤집고 반대 방향으로 움직이는 반-화학쏠림성을 처음으로 확인한 것이다.

▲ 위치에 따라 농도 차가 나는 미세 유세 칩. 연구단 조윤경 그룹리더가 설계한 이 칩은 왼쪽으로 갈수록 기질 농도가 높아진다. 크기가 매우 작지만 정교하게 설계된 칩 설계 덕에 효소의 반-화학쏠림성을 밝혀낼 수 있었다.

두 번째 실험에서는 빔 영역을 50nm로 줄일 수 있는 FCS-STED로 같은 칩을 관찰했다. 그 결과 효소의 미시적인 움직임을 자세히 파악하고, 더욱 흥미로운 점을 발견했다. 효소가 한 방향으로 가다가 무작위 방향의 움직임을 반복하는 ‘달리기와 뒹굴기(run&tumble)’를 보인 것이다. 달리기와 뒹굴기는 먹이를 효율적으로 찾고자 직진과 무작위 방향 운동을 반복하는 박테리아의 움직임으로 잘 알려져 있다. 박테리아가 먹이 쪽으로 움직이는 반면 효소는 기질이 적은 쪽으로 움직인다. 반응 체계가 없는 효소가 이같이 움직이는 이유는 효소가 촉매작용을 하면서 기질 반대방향으로 밀려나기 때문이다.

▲ 그림 왼쪽의 박테리아(흰색)는 포도당 등 영양분(파랑색)이 있으면 직진했다가 방향을 바꾸는 ‘달리기와 뒹굴기’ 움직임을 반복한다. 오른쪽 그림의 효소(빨간색)도 기질(녹색)이 있는 호나경에서 같은 움직임을 보인다. 효소-기질 사이에 반응이 일어나면 기질이 생성물(노랑색)으로 변하면서 효소는 ‘달리기와 뒹굴기’를 반복하며 기질 농도가 낮은 쪽으로 이동한다.

제1저자인 지아영 연구위원은 "단백질 분자에 지나지 않는 효소가 마치 박테리아나 세포 등 미생물처럼 방향을 갖고 움직였다”며 “앞으로 여러 효소간의 상호작용을 비롯해 신진대사 연구에 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구에 이론적인 이해를 제공한 츠비 틀루스티(Tsvi Tlusty) 그룹리더는 “효소가 기질을 피하는 것은 선뜻 이해되지 않는 결과”라며 “효소의 촉매작용이 강력하기 때문에 반응이 한꺼번에 일어나지 않도록 조절하는 기작일 수 있다”고 설명했다.

이번 연구결과는 미국 국립과학원에서 발간하는 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences, IF=9.661)에 12월 19일 새벽 5시(한국시간) 온라인으로 게재됐다.