An in vitro platform for the rapid and scalable biocatalysis of complex polyketides

자연은 아주 작은 박테리아 내부에 과학계에 알려진 가장 정교한 화학 공장들을 구축해 놓았습니다. 이 미생물들은 단순한 구성 요소들을 결합하여 복잡한 3차원 구조물을 만들어내는 단백질로 이루어진 긴 분자 조립 라인을 보유하고 있습니다. 폴리케타이드(polyketides)라고 알려진 이 구조물들은 항생제와 같이 감염과 싸우는 약물부터 면역 체계를 진정시키는 약물에 이르기까지, 많은 생명을 구하는 의약품의 원천입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 자연적인 조립 라인을 박테리아 밖으로 꺼내 시험관 안에 넣는 것을 꿈꿔왔습니다. 그 아이디어는 살아있는 세포의 번거로운 간섭 없이 이 분자 기계들을 직접 가동하여, 더 빠르고 깨끗하게 새로운 의약품을 만드는 것이었습니다. 하지만 이를 시도했던 초기 노력들은 실패했습니다. 연구자들이 이 조립 라인을 세포 밖에서 가동하려고 했을 때, 과정이 너무 느려서 프로세스가 작동을 멈추기 전까지 거의 아무것도 생산하지 못하는 무의미한 것처럼 보였습니다.

텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 연구팀은 이제 이 오래된 믿음을 뒤집었습니다. 그들은 시험관 안에서 이러한 분자 조립 라인을 빠르고 효율적으로 실행하며, 복잡한 화학 물질을 대량으로 생산할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 연구진은 조립 라인의 단백질 부분을 세심하게 재설계하고, 기계에 필요한 연료를 지속적으로 보충하는 시스템을 만듦으로써, 이 느릿한 과정을 신속한 생산 라인으로 탈바꿈시켰습니다. 그들은 이 생물학적 기계들이 자연에서 발견되는 가장 효율적인 천연 지방산 공장만큼이나 빠르게 작동하여, 단순한 재료를 복잡한 약물 형태의 분자로 몇 시간 만에 전환할 수 있음을 입증했습니다. 이 획기적인 성과는 과학자들이 전통적인 화학 합성의 느리고 비싼 방법이나 박테리아를 배양하는 예측 불가능한 방식을 거치지 않고도, 실험실 환경에서 새로운 복잡한 의약품 라이브러리를 구축할 수 있음을 시사합니다.

이야기는 폴리케타이드 합성효소(polyketide synthase)라고 불리는 특정 유형의 분자 기계로부터 시작됩니다. 자연에서 이 기계들은 단백질로 만들어진 거대한 컨베이어 벨트와 같습니다. 이들은 작고 단순한 분자들을 가져와 정밀한 순서로 연결하여 더 크고 복도 있는 구조물을 만듭니다. 벨트 위의 부품 순서가 최종 생성물의 모양과 기능을 결정합니다. 수년 동안 과학자들은 의약품을 만들기 위해 이 기계들을 살아있는 박테리아 내부에서 사용하려고 노력했습니다. 이것은 효과적이었지만, 제어하기가 어려웠습니다. 박테리아는 조립 라인과 경쟁하는 자체적인 내부 과정을 가지고 있었으며, 낮은 수율이 기계의 결함 때문인지 아니면 세포의 환경 때문인지 판단하기 어려웠습니다. 이 과정을 시험관으로 옮기는 것은 모든 변수를 통제할 수 있게 해주므로 논리적인 해결책처럼 보였습니다. 하지만 처음 시도했을 때, 이 기계들은 믿기 힘들 정도로 느렸습니다. 에리트로마이신(erythromycin)이라는 항생제를 만드는 기계를 가동하려 했던 유명한 시도는, 제품을 아주 적게 생산한 채 거의 멈춰버리며 빙하처럼 느린 속도로 움직임을 보여주었습니다. 이는 이 복잡한 기계들이 자연스러운 서식지 밖에서는 제대로 작동하지 않는다는 광범위한 가설을 낳았습니다.

연구진은 이러한 가정이 틀렸음을 증명하기 위해 나섰습니다. 그들은 피크로마이신(pikromycin)과 관련된 화합물인 나보놀라이드(narbonolide)를 자연적으로 생성하는 다른 기계에 집중했습니다. 네 개의 커다란 단백질 가닥으로 구성된 자연 상태의 기계 대신, 그들은 이를 더 작고 다루기 쉬운 여섯 개의 조각으로 분해했습니다. 이렇게 재구성된 설계는 실험실에서 기계를 생산하고 올바르게 조립하는 것을 더 쉽게 만들었습니다. 그런 다음 그들은 필요한 연료와 구성 요소가 포함된 용액에서 이 새로운 설정을 테스트했습니다. 처음에는 기계가 작동했지만, 여전히 실용적으로 쓰기에는 너무 느렸고, 생성된 제품은 시험관 내의 화학적 환경에서 분해되어 취약했습니다. 팀은 기계가 스스로와 싸우고 있다는 사실을 깨달았습니다. 기계의 일부는 원치 않는 부산물을 만들어내고 있었고, 연료는 낭비되고 있었습니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 조립 라인을 튜닝이 필요한 복잡한 엔진처럼 다루었습니다. 그들은 특정 부품을 교체하여 일반적인 연결 부품을 해당 작업에 더 잘 맞는 것으로 바꾸었습니다. 또한 단백질을 식별하는 데 사용되는 라벨을 가닥의 다른 위치로 옮겨 조각들이 더 효율적으로 달라붙는지 확인했습니다. 또한 결함이 있는 부품을 제거하여 조립 라인이 막히는 것을 방지하는 정비사 역할을 하는 특수 세척 효소를 추가했습니다. 이러한 작은 변화 하나하나가 기계를 더 빠르게 만들었습니다. 설계를 최적화하는 과정을 마쳤을 때, 기계는 기존의 에리트로마이신 기계보다 100배나 빨라졌으며, 자연에서 발견되는 가장 효율적인 지방산 공장의 속도와 맞먹는 수준으로 작동했습니다. 그것은 더 이상 느릿한 실험이 아니라 고성능 바이오 촉매였습니다.

퍼즐의 마지막 조각은 연료 시스템이었습니다. 이 기계들은 움직임을 유지하기 위해 에너지와 특정 구성 요소의 지속적인 공급을 필요로 합니다. 살아있는 세포 내에서 세포는 이 연료를 자동으로 제공합니다. 하지만 시험관 안에서는 연료가 빠르게 고갈됩니다. 연구팀은 기계가 스스로 연료를 재생하고 단순하고 저렴한 재료로부터 구성 요소를 계속 만들어내는 시스템인 EPK 시스템이라고 부르는 새로운 플랫폼을 개발했습니다. 이 시스템을 갖춤으로써 연구진은 작은 비커 안에서 상온으로 2시간 동안 반응을 진행할 수 있었습니다. 그들은 아주 적은 양의 기계와 단순한 재료로 시작했고, 기계는 그것들을 최종 생성물로 대량 전환했습니다. 단 2시간 만에 그들은 나보놀라이드 화합물을 작은 병 하나를 채울 만큼 생산해냈는데, 이는 이전 방식으로는 며칠 또는 몇 주가 걸렸을 양입니다.

이 플랫폼의 성공은 단 하나의 화합물을 만드는 것에 그치지 않았습니다. 연구진은 최적화된 동일한 시스템을 사용하여 모양이 약간씩 다른 네 가지의 다른 복잡한 분자들을 구축했습니다. 이 과정은 살아있는 세포의 소음 없이 매우 깨끗했기 때문에, 그들은 생성물을 순수한 형태로 분리할 수 있었습니다. 이를 통해 X선 결정학(X-ray crystallography)을 사용하여 분자의 정확한 3차원 구조를 밝혀낼 수 있었으며, 이전에는 볼 수 없었던 세부 사항들을 드러냈습니다. 그들이 만든 분자 중 하나는 알려진 화합물의 거울상 구조를 가지고 있었는데, 이는 살아있는 세포에서는 놓치기 쉬운 미묘한 차이지만 여기서는 명확하게 관찰되었습니다. 이러한 복잡한 모양을 순수한 형태로 생산할 수 있는 능력은 방대한 새로운 화학 구조 라이브러리를 구축할 수 있는 문을 열어줍니다. 이제 과학자들은 박테리아를 배양하는 제약 없이 조립 라인의 서로 다른 부분들을 조합하여 수천 가지의 새로운 변형을 만들어내고, 그것들의 약리적 특성을 테스트할 수 있습니다.

이 연구는 복잡한 의약품을 만드는 지형을 바꿉니다. 이는 이러한 분자 기계의 느린 속도가 근본적인 결함이 아니라, 부실한 설계와 적절한 지원 시스템의 부재 때문이었음을 증명합니다. 기계를 재구축하고 안정적인 연료 공급원을 제공함으로써, 연구진은 자연의 가장 강력한 합성 도구를 활용하는 새로운 방법을 열었습니다. 이 과정은 이제 실용적일 만큼 충분히 빠르고, 신약 개발을 위한 고품질 재료를 생산할 수 있을 만큼 깨끗합니다. 기술이 아직 초기 단계에 있지만, 결과는 복잡한 의약품을 만드는 미래가 더 많은 박테리아를 키우거나 더 많은 화학 공장을 짓는 것이 아니라, 자연이 이미 완성해 놓은 분자 조립 라인을 정교하게 다듬는 데 있을 것임을 보여줍니다. 이제 새로운 가능성을 탐구할 문이 열렸으며, 이는 오랫동안 접근하기 어려웠던 질병을 치료할 수 있는 새로운 가능성을 창출할 것입니다.