Sub-100 ns transition paths in unmodified single protein measurements
이 논문은 변형되지 않은 단일 단백질을 나노초에서 시간 단위에 이르는 방대한 시간 범위에 걸쳐 관찰할 수 있는 온도 점프 나노개구부 광학 트랩(TJ-NOTs)을 소개하며, 이를 통해 소 혈청 알부민의 100나노초 미만의 초고속 전이를 밝혀내고 분자 역학 시뮬레이션과 생물학적으로 유의미한 시간 척도 사이의 간극을 메운다.
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단백질은 생명의 일꾼이자, 혈액 속에서 산소를 운반하는 것부터 유전적 지침을 복제하는 것에 이르기까지 다양한 과업을 수행하기 위해 정교한 모양으로 스스로를 접는 작은 분자 기계입니다. 이러한 기계들이 작동하기 위해서는 특정한 구조를 유지해야 하지만, 이들은 정적인 조각상이 아닙니다. 이들은 끊임없이 움직이고, 숨 쉬며, 때로는 형태 전체를 완전히 바꾸기도 합니다. 과학자들은 이러한 변화가 매우 넓은 시간 범위에 걸쳐 일어날 수 있다는 것을 오래전부터 알고 있었습니다. 어떤 변화는 몇 초 또는 몇 분 동안 지속될 정도로 느리지만, 어떤 변화는 너무 빨라서 현재의 기술로는 포착하는 것이 거의 불가능하다고 여겨졌습니다. 과제는 단백질 분자를 건드리지 않고, 움직임을 변화시킬 수 있는 형광 태그를 붙이지도 않으면서, 형태가 바뀌는 찰나의 순간을 놓치지 않고 관찰할 수 있는 도구를 만드는 것이었습니다. 만약 연구자들이 이러한 급격한 전이를 볼 수 있다면, 컴퓨터 모델이 예측하는 초고속 움직임과 실제 세상에서 관찰되는 더 느리고 생물학적으로 유의미한 변화 사이를 마침내 연결할 수 있을 것입니다.
연구팀은 이제 이러한 사건들을 실시간으로 관찰하여 100나노초 미만으로 발생하는 단백질의 움직임을 포착할 수 있는 방법을 구축했습니다. '온도 점프 나노아퍼처 광학 집게(temperature-jump nanoaperture optical tweezers)'라고 불리는 기술을 사용하여, 연구진은 금속 박막의 아주 작은 구멍 안에 변형되지 않은 단일 단백질 분자를 가두고 레이저로 열을 가해 변화를 유도했습니다. 이 설정 덕분에 연구진은 몇 분 동안 지속되는 느린 휴지기부터 마이크로초의 아주 짧은 찰나에 일어나는 전이에 이르기까지, 단백질 움직임의 전체 생애를 관찰할 수 있었습니다. 이 연구는 소의 혈액에서 발견되는 소 혈청 알부민(bovine serum albumin)과 달걀 흰자에서 발견되는 콘알부민(conalbumin)이라는 두 가지 특정 단백질에 집중했습니다. 이 분자들을 단계적으로 가열함으로써, 연구진은 이들이 펼쳐지고(unfold), 다시 접히고(refold), 극적인 구조적 변화를 겪는 과정을 지켜보았으며, 이를 통해 이전에는 직접적인 관찰이 불가능했던 숨겨진 속도의 세계를 드러냈습니다.
연구진이 이 방법을 소 혈청 알부민에 적용했을 때, 그들은 놀라울 정도로 빠른 사건을 목격했습니다. 온도가 특정 범위로 상승함에 따라, 단백질은 갑작스럽고 비가역적인 변형을 일으켰습니다. 갇혀 있던 분자의 신호는 단 44나노초 만에 일어나는 날카로운 단계적 변화를 보여주었으며, 평균적으로 이러한 빠른 전이는 10endo 100나노초 미만 내에 발생했습니다. 이 속도를 체감하기 위해 설명하자면, 이는 단백질이 접히는 속도의 기존 '속도 제한'보다 한 자릿수(an order of magnitude) 더 빠른 것입니다. 연구팀은 이 급격한 변화가 알파-헬릭스(alpha-helix)라고 불리는 나선형 구조에서 베타-시트(beta-sheet)라고 불리는 평평한 시트 모양의 구조로의 전환임을 확인했습니다. 이러한 유형의 변화는 신경 퇴행성 질환에서 나타나는 응집체 형성 등 심각한 생물학적 문제와 연관되어 있어 중요하지만, 혈액 응고와 같은 정상적인 과정에도 필수적입니다. 연구진은 이것이 단순한 무작위적 변동이 아니라 실제적인 구조적 변화임을 확인하기 위해, 단백질을 펼뜨리는 것으로 알려진 요소(urea)라는 화학 물질을 첨가했습니다. 요소가 존재할 때, 빠르고 날카로운 전이는 사라지고 훨씬 느리고 무질서한 펼쳐짐 과정으로 대체되었는데, 이는 원래의 빠른 사건이 단백질의 특정하고 조직적인 변화였음을 증명했습니다.
일방통행이었던 소 혈청 알부민의 관찰 결과와 대조적으로, 연구팀은 콘알부민이 펼쳐짐과 접힘의 가역적인 춤을 추는 모습을 지켜보았습니다. 열을 가했을 때, 이 단백질은 약 1.8밀리초 만에 펼쳐졌는데, 이는 여전히 매우 빠른 속도이지만 표준 장비로 측정 가능한 수준입니다. 일단 펼쳐진 분자는 즉시 원래 상태로 돌아가지 않았습니다. 분자는 펼쳐진 무질서한 상태로 오랫동안 머물렀는데, 다시 접히기로 결정하기까지 중앙값 기준으로 68초를 기다렸습니다. 마침내 다시 접힐 때, 그 과정은 17밀리초가 걸렸습니다. 단일 분자가 1분 이상 멈춰 있다가 다시 원래의 모양으로 돌아오는 것을 관찰할 수 있었던 이 능력은, 단백질의 에너지 지형(energy landscape)에 대한 완전한 그림을 제공했습니다. 즉, 분자가 휴식을 취하는 깊은 골짜기와 형태를 바꾸기 위해 넘어야 하는 가파른 언덕을 모두 보여준 것입니다. 연구진은 또한 재접힘 능력이 있는 것으로 알려진 또 다른 단백질인 리보뉴클레아제 A(ribonuclease A)를 테스트하였고, 세 초 정도 걸리는 더 느린 전이를 관찰했는데, 이는 대규모 분자 집단에서 보이는 현상과 일치했습니다.
이 새로운 접근 방식의 힘은 과학의 서로 다른 두 세계 사이의 간극을 메우는 능력에 있습니다. 수년 동안 컴퓨터 시뮬레이션은 단백질이 100나노초 미만 내에 이러한 초고속 전이를 할 수 있다고 예측해 왔지만, 실험 도구들은 너무 느려서 이들을 가장 빠른 신호로서 노이즈로 처리하여 걸러내곤 했습니다. 동시에, 다른 실험들은 수백만 개의 분자가 동시에 보여주는 느리고 평균적인 행동만을 볼 수 있었기에, 개별 분자의 고유한 이야기를 놓쳤습니다. 이 새로운 방법은 나노초 단위의 구조적 변화부터 단백질이 안정된 상태에서 휴식하는 한 시간 동안의 기다림에 이르기까지 전체 움직임의 범위를 포착하며, 라벨이나 끈을 사용해 단백질을 변형시키지도 않습니다. 이러한 sub-100 나노초 전이가 실제이며 측정 가능하다는 것을 입증함으로써, 이 연구는 컴퓨터 모델을 개선하고 단백질이 어떻게 복잡한 에너지 지형을 탐색하는지 이해하는 데 견고한 토대를 제공합니다. 연구 결과는 이러한 신속하고 조직적인 형태 간의 변화가 단순히 이론적인 가능성이 아니라, 단백질이 체내에서 기능하고 때로는 오작동하는 방식의 근본적인 부분임을 시사합니다.
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