자연의 합성 전략을 실험실로 옮겨온 효소 연속단계반응 연구동향

한국화학연구원 송재광 박사

개요

가장 효율적인 화학공장은 생명체이다. 생명체가 발휘하는 최상의 효율은 오랜 시간 진화하며 최적화된 ‘자연의 합성 전략’에서 비롯된다. 이러한 자연 합성 전략은 다음 3가지 기본 원리에 바탕을 두고 있다. 촉매(catalyst)로서 효소(enzyme)를 사용하고, 생합성 경로의 효소들이 세포 소기관이나 세포 구획(compartment)에 분리되어 있으며, 복잡한 생합성 경로에서 순차적으로 효소가 사용되고 조정된다는 점이다. 자연에서 발휘되는 정교하고 효과적인 합성 전략을 인공적인 생촉매작용(biocatalysis)으로 구현하려면 이러한 근본적인 양상을 폭넓고 깊게 이해하고 가공할 수 있어야 한다.

수많은 화학반응에서 촉매 작용을 할 수 있는 효소의 적절한 선택, 효소의 생산, 효소 촉매 작용의 특이성, 선택성, 안정성에 관한 공학기술은 화학물질의 인공 생합성을 위한 핵심기술로서 수많은 연구결과가 끊임없이 보고되고 있다 (Reetz, 2013). 생명체에서 발견되는 효소의 구획화는 생촉매 작용에 관한 연구개발 분야에서 다양한 효소 고정화, 제제화 기술로 모방되고 있다 (Sheldon & van Pelt, 2013; Barbosa et al., 2015). 이 글에서는 자연 합성 전략의 3번째 근본적 측면이었던, 때로는 매우 복잡한 생합성 경로에서 일어나는 순차적 효소 작용을 모방한 인공적인 효소 연속단계반응에 관하여 살펴보고자 한다. 지금도 끝없는 진화 과정에 있는 생명체의 세포에는 효소들의 연속 작용으로 단순한 출발물질에서 복잡한 구조물을 짓고, 에너지를 만들어 사용하거나 저장하고, 주변과 소통하여 생존하고 있다. 수천 개의 화학반응이 수행되는 복잡하고 정교한 ‘물질 대사 네트워크’는 수많은 효소가 만들어내는 결과물이다. 물질 대사 네트워크에서는 어떤 효소의 촉매 작용으로 생성된 물질은 다음 어떤 효소의 기질이 됨으로써, 필수적인 복잡성의 빠른 달성, 반응 평형의 이동, 작용 억제의 해소가 가능해진다. 

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