Engineered protein cages with phosphate-dependent reversible opening
연구진은 인산염에 반응하여 닫힌 상태와 열린 상태 사이의 신속하고 가역적인 구조적 전이를 일으키는 단백질 케이지 변이체(AaLS-POF)를 설계하였으며, 이는 비파괴적인 화물 조작을 가능하게 하고 자극 반응형 나노 운반체 설계를 위한 청사진을 제공한다.
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미세한 용기, 즉 살아있는 세포의 복잡한 환경을 통과하여 섬세한 화물을 운반하도록 설계된 단백질로 만들어진 속이 빈 껍질을 상상해 보십시오. 수십 년 동안 과학자들은 이 생물학적 상자를 설계하여 명령에 따라 열고 닫을 수 있게 함으로써, 내부의 내용물을 파괴하지 않고도 약물을 내려놓거나 샘플을 채취할 수 있도록 만들기 위해 노력해 왔습니다. 과제는 내부의 귀중한 내용물을 손상시키지 않을 만큼 부드러우면서도, 견고한 외피의 형태를 변화시킬 수 있을 만큼 강력한 트리거를 찾는 것이었습니다. 기존의 대부분의 방법은 보호하려는 분자 자체를 파괴할 수 있는 가혹한 화학 물질이나 극한의 조건을 필요로 했습니다. 목표는 단순하고 자연스러운 신호와 함께 작동하여, 밀봉된 금고를 다공성 체로 바꾸고 다시 되돌리는 동시에 화물을 안전하게 유지하는 스위치를 만드는 것이었습니다.
최근 한 연구에서 연구진은 열을 좋아하는 박테리아인 Aquifex aeolicus에서 자연적으로 발견되는 단백질을 사용하여 이러한 용기를 성공적으로 설계했습니다. 그들은 체내에서 흔히 발견되는 화학 물질인 인산염의 존재 여부에 따라 빠르게 팽창하고 수축할 수 있는 AaLS-POF라는 이름의 새로운 버전의 단백질을 만들었습니다. 인산염이 존재할 때, 이 단백질은 열두 개의 오각형 면으로 이루어진 정십이면체 형태로 조립되어 내부의 내용물을 단단히 잠급니다. 인산염이 제거되면, 구조는 훨씬 더 크고 구멍이 많은 사면체 형태로 변형되어 벽면에 큰 개구부가 생깁니다. 이 스위치는 가역적이며 일반적인 생물학적 조건 하에서 빠르게 일어나므로, 용기에 들어오거나 나가는 것을 제어하는 비침습적인 방법을 제공합니다.
연구진은 이러한 현상을 다소 우연히 발견했습니다. 원래 그들은 금속 이온에 반응하도록 단백질을 설계했으며, 금속 결합 부위를 만들기 위해 특정 돌연변이를 도입했습니다. 그러나 단백질을 테스트했을 때, 단백질이 예상대로 금속에 반응하지 않는다는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 단백질의 형태가 그것이 담겨 있는 완충 용액에 전적으로 의존한다는 것을 관찰했습니다. 인산염이 포함된 용액에서 단백질은 16나노미터의 조밀한 케이지를 형성했습니다. 그러나 용액을 인산염이 없는 것으로 교체하자 케이지가 팽창하기 시작했습니다. 몇 시간 동안 구조물은 20~28나노미터의 더 큰 조립체로 커졌습니다. 연구팀은 인산염의 제거가 핵심임을 깨달았으며, 이것이 단백질을 복어처럼 부풀게 만든다는 것을 발견했습니다. 이것이 바로 POF(Pufferfish)라는 이름의 유래입니다.
이 현상이 정확히 어떻게 일어났는지 이해하기 위해, 과학자들은 원자 수준에서 단백질 구조를 관찰하기 위해 강력한 이미징 기술을 사용했습니다. 그들은 도입된 돌연변이가 단백질 구성 요소 사이의 연결을 약화시켜 케이지를 본질적으로 불안정하고 팽창하기 쉽게 만들었다는 것을 발견했습니다. 인산염이 존재할 때, 단백질 내의 특정 화학 그룹이 인산염 이온을 붙잡아 조각들을 단단히 결합하는 분자 접착제 역할을 합니다. 인산염이 없으면 그 접착제가 사라지고, 단백질 부분 사이의 정전기적 반발력이 그들을 밀어내어 껍질에 큰 틈을 만듭니다. 연구진은 특정 아미노산을 변경함으로써 이 메커니즘을 확인했습니다. 인산염을 붙잡는 역할을 하는 부분을 수정했을 때, 단백질은 형태를 전환하는 능력을 잃고 한 가지 형태에 고정되었습니다.
명령에 따라 케이지를 열고 닫을 수 있는 이 능력은 생물학적 물질을 다루는 데 실질적인 가능성을 열어줍니다. 연구팀은 큰 효소가 내부로 들어가 화물 분자를 붙잡고 있는 특정 연결 부위를 절단하게 함으로써 열린 상태를 사용하는 것을 시연했습니다. 반대로, 그들은 케 cage를 열어 작은 분자나 짧은 DNA 가닥을 채운 다음, 용액에 인산을 다시 추가하여 다시 닫을 수 있음을 보여주었습니다. 일단 닫히면, 용기는 주변 액체에 있는 소화 효소로부터 DNA 화물을 보호할 수 있었으며, 이는 밀봉이 효과적임을 입증했습니다. 시스템은 내부 공동에 편안하게 들어가는 화물에 가장 잘 작동했습니다. 밖으로 튀어나온 더 큰 가닥들은 부분적으로만 보호되었는데, 이는 화물의 크기가 밀봉의 무결성에 영향을 미친다는 것을 시사합니다.
이 연구는 이러한 반응형 용기를 설계하는 명확한 청사진을 제공합니다. 단백질 하위 단위 간의 자연적인 연결을 약화시키고 단순한 화학적 신호를 위한 특정 결합 부위를 도입함으로써, 연구진은 밀봉된 금고와 열린 체 사이를 전환할 수 있는 시스템을 만들었습니다. 이 접근 방식은 가혹한 화학 물질이나 극한의 온도를 사용하는 대신, 살아있는 시스템과 호환되는 온화하고 자연스러운 트리거에 의존합니다. 이 기술은 아직 초기 개발 단계에 있지만, 가역적인 개방과 화물 보호의 성공적인 시연은 정밀하고 세심하게 분자를 전달하거나 회수할 수 있는 맞춤형 나노 컨테이너를 만들기 위한 유망한 경로를 제시합니다.
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