| 플라스틱 분해 효소로 진화 가능한 새로운 세균 발견 | ||
|
||
  후베이(湖北)대학교 생명과학대학 Guo Ruiting(郭瑞庭) 연구팀은 큰 부피의 PET(Polyethylene terephthalate) 분자를 분해할 수 있는 특이한 구조를 가진새로운 세균을 발견했다. 해당 연구 성과는 국제학술지 “Nature-Catalysis”에 온라인으로 게재되었다. IsPETase는 지금까지 발견된 유일하게 자연에서 진화한 진정한 의미의 PET 분해효소이다. IsPETase는 새로운 효소가 아니라 오래된 큐틴분해효소(cutinase) 종류에 속한다. 큐틴분해효소의 PET 분해 활성이 아주 낮지만 구조상 규틴분해효소와 매우 유사한 IsPETase는 PET를 매우 잘 가수분해할 수 있다. 연구팀은 2017년에 세계 최초로 IsPETase의 결정 구조와 효소 및 기질 유사체의 복합체 구조를 발표했다. 기존의 오래된 큐틴분해효소와 비교할 경우, IsPETase는 3가지 주요 구조 특징을 가지고 있음을 발견했다. 1) IsPETase의 두번째 기질의 결합 도메인은 한개 단락이 많으며 해당 단락은 PET와의 결합과 관련이 있을 수 있다. 2) IsPETase는 오래된 큐틴분해효소보다 한쌍의 이황화 결합이 많으며 상술한 구조 도메인의 많아진 한개 단락을 안정화시키는 작용을 한다. 3) IsPETase의 첫번째 기질의 결합 도메인은 비교적 넓으며 이는 핵심 기질 결합 아미노산 W185가 다양한 구성을 채택하여 기질 결합 포켓이 비교적 넓은 형태가 나타날 가능성이 있기 때문이다. 2020년에 연구팀은 IsPETase와 큐틴분해효소의 단백질 구조 분석에서 큐틴분해효소의 기질 결합 도메인이 비교적 좁아 가늘고 긴 각피질(cutin)에 적합하지만 구조가 넓은 PET에 대한 작용에 불리하다는 것을 발견했다. 연구팀은 상술한 3가지 구조 특징을 기반으로 PET 분해 활성이 있는 더 많은 효소를 찾는 과정에서 첫번째와 두번째 특징으로 찾은 효소의 PET 분해 활성이 여전히 아주 낮다고 판단하고 세번째 특징에 초점을 맞추었다. IsPETase의 기질 결합 도메인의 구성은 큐틴분해효소와 동일하지만, IsPETase 기질 결합 도메인의 아미노산 W185는 자유롭게 스윙할 수 있다. PET가 IsPETase에 결합되면 아미노산 W185는 밑으로 약간 낮아지며 따라서, 기질 결합 도메인의 공간이 넓어지어 비교적 큰 PET 분자를 수용할 수있다. 모든 큐틴분해효소는 상대적 위치에 모두 해당 트립토판(tryptophan)이 있지만, 모든 큐틴분해효소에서 해당 트립토판 측쇄의 방향은 모두 고정되어 있다. 연구팀은 동일한 아미노산이 두가지 유사한 효소에서 다른 형태적 변화를 나타내는 원인 및 이렇게 미세한 차이가 IsPETase와 큐틴분해효소의 PET 분해 활성의 차이를 유발하는 핵심 요소인지의 여부를 심층 연구했다. 트립토판에 인접한 도메인을 분석한 결과, 모든 큐틴분해효소에서 트립토판 아래쪽은 히스티딘(histidine)과 페닐알라닌(phenylalanine) 두 개의 비교적 큰 아미노산(“큰 바이너리”로 약칭)에 의해 지탱되며 이들은 받침대처럼 트립포판을 고정하여 움직이지 못하게 한다. IsPETase에서는 아미노산 W185 아래에 세린(serine)과 이소류신(isoleucine) (“작은 바이너리”로 약칭)이 있으며 이들의 측쇄 그룹은 작아서 W185를 고정하지 못한다. 따라서, W185는 자유롭게 스윙할 수 있으며 IsPETase의 기질 결합 도메인도 자유롭게 신축할 수 있다. 흥미롭게도 IsPETase의 작은 바이너리를 큰 바이너리로 대체할 경우, PET 분해 활성이 크게 감소하고 반대로 큐틴분해효소의 큰 바이너리를 작은 바이너리로 대체할 경우, PET 분해 활성이 크게 향상되었다. 따라서, 대소 바이너리의 전환은 PET 분해 효소 생성의 핵심 조건일 가능성이 매우 높다. 코돈(codon) 조사 결과, 3개 염기의 돌연변이만으로 큰 바이너리를 작은 바이너리로 변경할 수 있으며, 3개 돌연변이 부위의 누적은 짧은 시간 내에 발생할 가능성이 있다. PET가 존재지 70년도 되지 않은 짧은 기간에 세균이 큐틴분해효소를 PET 분해 효소로 전환된 기존에 밝혀지지 않은 미스터리에 대해 연구팀은 생존 환경에 축적된 대량의 PET 폐기물에 신속하게 적응하기 위해 세균은 오래된 큐틴분해효소에 돌연변이를 도입하여 효과적인 PET 분해 효소로 전환하여 PET 분해 에너지원으로 사용했다고 추론했다. 작은 바이너리의 도입은 다양한 우수한 특성의 PET 분해 효소를 생성하는 효과적인 전략이다. 연구팀은 해당 방법을 이용하여 다양한 신형 PET 분해 효소를 획득했으며 이는 플라스틱 생물분해 기술 연구를 위한 혁신적인 가치가 있다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/5/362764.shtm |
SEARCH
- 정책동향
- 이슈리포트
- 통계DB
- 통계DB