Arginine tuning of coiled-coil peptides yields single-domain nanocrystals

재료 과학의 세계에는 지속적인 과제가 하나 있다. 바로 부드럽고 말랑말랑한 물질들이 어떻게 하면 완벽한 3차원 결정으로 배열되게 만들 것인가 하는 점이다. 자연은 이 문제를 매일 아주 손쉽게 해결한다. 살아있는 세포 내부에서 단백질은 그 구조를 구성하는 특정한 화학적 글자 서열에 의해 구동되어, 매우 정밀하게 접히고 쌓이며 복잡한 골격과 기계를 형성한다. 과학자들은 오랫동안 이러한 능력을 실험실에서 모방하기 위해, 자가 조립이 가능한 아미노산의 짧은 사슬인 펩타이드를 설계해 왔다. 연구자들은 이러한 분자들이 섬유, 튜브, 시트를 형성하도록 유도하는 데는 성공했지만, 이들을 단단하고 반복적인 결정 격자로 고정시키는 것은 여전히 매우 어려운 일로 남아 있다. 이 분자들은 광물이나 생체 조직에서 볼 수 있는 질서 정연한 단일 도메인 결정이 되기보다는, 무질서하고 어지럽게 뭉친 더미를 형성하는 경향이 있다. 이러한 수준의 제어를 달연하는 것은 매우 중요한데, 이는 과학자들이 자연에서 발견되는 것과 같은 구조적 정밀도로 연성 재료를 프로그래밍할 수 있게 하여, 새로운 유형의 의료 기기와 반응형 재료로 가는 문을 열어줄 것이기 때문이다.

한 연구팀은 화학적 구성을 아주 작고 특정한 방식으로 변화시킴으로써, 이 펩타이드 사슬들이 단일 도메인 나노 결정을 형성하도록 유도하는 방법을 찾아냈다. 그들은 기본적으로 두 가닥의 아미노산이 밧줄처럼 서로 꼬여 있는 코일드 코일(coiled-coil) 구조를 형성하도록 설계된 펩타이드로 시작했다. 이 밧줄 같은 구조는 자연스럽게 다른 것들과 뭉치려는 성질이 있지만, 대개 길고 엉킨 섬유를 형성한다. 연구진은 이 번들(bundle)의 표면이 서로를 끌어당기거나 밀어내는 화학 그룹들로 덮여 있다는 사실을 깨달았다. 그들의 설계에서, 연구진은 표준적인 구성 요소 중 일부를 아르기닌(arginine)이라 불리는 다른 요소로 교체했다. 이 분자는 독특한 모양을 가지고 있어 이웃한 분자들과 강하고 특정한 연결을 형성할 수 있으며, 마치 분자 접착제와 같은 역할을 한다. 그러나 연구팀은 단순히 이 접착제를 더 많이 추가한다고 해서 결과가 더 좋아지는 것은 아니라는 사실을 발견했다. 즉, '스위트 스팟(sweet spot, 최적점)'이 존재한다는 것이다. 아르기닌이 없다면 분자들은 무질서한 응집체를 형성한다. 반대로 아르기닌이 너무 많으면, 강한 인력 때문에 분자들이 정렬하기도 전에 꽉 막혀버린다. 하지만 딱 적절한 양, 즉 46개의 사슬 중 3개 또는 6개의 아르기닌 분자가 있을 때, 펩타이드는 스스로 매끄러운 타원체 모양의 결정을 형성하며 수백 나노미터 길이에 이른다.

연구진은 이 과정이 단 한 번의 갑작스러운 단계로 일어나지 않는다는 것을 관찰했다. 대신, 분자들은 먼저 밀도가 높고 응축된 액체와 같은 상태를 형성하는 경로를 따른다. 이 붐비는 환경 속에서 아주 작고 짧은 섬유들이 형성되기 시작하고, 그 후 마치 병사들이 자신의 대형을 찾아가듯 천천히 정렬된다. 일단 이 섬유들이 제대로 정렬되면, 이들은 하나의 단단하고 질서 정연한 결정으로 융합된다. 연구진은 얼린 샘플 내부를 볼 수 있는 첨단 이미징 기술을 사용하여 이 변형 과정을 실시간으로 관찰했다. 그들은 3개의 아-르기닌 분자를 가진 버전이 몇 분 내에 매우 빠르게 결정화되는 것을 보았고, 6개의 아르기닌 분자를 가진 버전은 섬유들이 더 큰 형태와 더 완벽한 형태로 재배열될 수 있도록 더 많은 시간을 허용하여 더 오래 걸리는 것을 확인했다. 그러나 두 버전 모두 결국 동일한 내부 구조를 가졌는데, 이는 아르기닌 함량이 구성 요소의 최종 형태를 바꾸는 것이 아니라 결정 형성의 속도와 크기를 조절한다는 것을 확인시켜 준다.

이 발견이 특히 중요한 이유는 단백질 결정학의 원리가 단순하고 합성된 설계에도 적용될 수 있음을 입증했기 때문이다. 수년 동안 과학자들은 자연 단백질의 특정 유연한 부분을 아르기닌으로 교체하는 것이 결정 형성을 돕는다는 것을 알고 있었지만, 복잡한 모양으로 접히지 않는 짧은 인공 펩타이드에도 이 규칙이 적용되는지는 불분명했다. 이 연구는 그것이 적용됨을 보여준다. 아르기닌 분자의 밀도를 세심하게 조절함으로써, 연구진은 무질서한 연성 분자 혼합물을 고도로 질서 정연한 단일 결정 재료로 바꾸는 예측 가능한 방법을 만들어냈다. 결과물인 나노 결정은 균일한데, 이는 여러 개의 작은 결정이 덧붙여진 조각보 형태가 아니라 하나의 연속적인 결정 조각으로 이루어져 있음을 의미한다. 이러한 수준의 구조적 무결성은 연성 재료에서 보기 드문 것이며, 이는 이 펩타이드 번들의 내부 구조가 분자 규모에서부터 눈에 보이는 규모에 이르기까지 조립 과정을 안내하는 비계(scaffold) 역할을 한다는 것을 시사한다.

연구팀은 또한 자신들이 만든 결정이 특정한 반복적 내부 기하학 구조를 가지고 있다는 것을 발견했다. 꼬인 밧줄 형태의 번들들은 각 가닥 사이의 일정한 거리를 유지하며 근사 육각형 격리와 유사한 패턴으로 뭉쳐 있다. 이 규칙성은 전자가 결정을 통과할 때 산란되는 방식을 분석함으로써 확인되었는데, 이 기술은 내부의 원자 간격을 정밀하게 드러낸다. 빠르게 형성되는 결정과 느리게 형성되는 결정 모두 동일한 내부 간격을 공유한다는 사실은 아르기닌 분자가 단순히 구조를 붙잡아 주는 역할만 하는 것이 아니라, 전체 조립 과정을 지시하고 있음을 나타낸다. 연구진은 아르기닌 그룹이 섬유들을 정렬시키기에 충분한 방향성 있는 인력을 제공하면서도, 분자들이 움직여서 올바른 위치를 찾는 것을 방해할 만큼 너무 강하지는 않다고 제안한다. 이러한 균형 덕분에 시스템은 가장 안정적이고 질서 정연한 상태를 찾을 때까지 다양한 배치를 탐색할 수 있다.

이 작업은 연성 재료를 설계하기 위한 새로운 청사진을 제공한다. 분자들을 질서 있게 만들기 위해 금속 이온이나 느린 가열과 같은 외부 자극에 의존하는 대신, 이제 과학자들은 결정화를 위한 지침을 펩타이드 서열 자체에 직접 인코딩할 수 있다. 아르기닌 잔기의 수를 조절함으로써, 결정이 형성되는 방식, 형성 속도, 그리고 결정의 크기를 제어하는 것이 가능하다. 이 접근 방식은 물질을 분자 수준에서 프로그래밍하려는 목표, 즉 화학적 코드가 최종적인 물리적 형태를 결정하게 하는 분야에 한 걸음 더 다가가게 한다. 이 연구는 특정 유형의 펩타이드에 초점을 맞추었지만, 특정 화학 그룹의 밀도가 무질서에서 질서로의 전이를 조절할 수 있다는 근본적인 원리는 다른 연성 재료에도 적용될 수 있다. 이 결과는 적절한 서열만 있다면 단순한 구성 요소조차도 복잡하고 기능적인 구조로 자가 조직될 수 있음을 시사하며, 액체의 혼돈스러운 세계와 결정의 정밀한 질서 사이의 간극을 메워준다.