Research Projects

Section Protein Engineering Nano-biotechnology Current Projects GradDock

개요

단백질(protein)은 오랜 시간에 걸친 mutation과 selection을 통한 복잡한 진화 과정을 거쳐서 현재와 같이 다양한 기능과 구조로 진화되었다. 본 연구실에서는 그 구조를 바탕으로 directed evolution, computational design, combinatorial method 등을 통하여 합리적으로 설계된 단백질을 만드는 연구를 수행하고 있다. 궁극적으로는 원하는 기능을 지닌 맞춤형 단백질을 개발하고 이를 산업적, 의학적으로 활용하기 위한 연구들을 진행하고 있다.

Directed Evolution of Enzymes

생명체의 framework를 제외한 단백질의 대부분인 효소(enzyme)는 생체반응의 Catalyst로서 특이적(highly-specificity)이고 그 반응성(catalytic power)이 높아 산업적, 의학적으로 무한한 가치를 지닌다. 효소는 정밀화학제품, 의류소재, 식품, 의약품 등 모든 분야에 걸쳐 white biotechnology의 핵심이며, 현재 이를 활용하고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

효소의 활용을 위해서는 생체환경에 맞게끔 진화해온 그 특징 -기질 특이성, 활성, 구조적 안정성 등- 을 실제 이용을 위한 환경에 맞게끔 새롭게 진화(directed evolution)시켜야 하며, 이를 ‘어떻게 하느냐’에 관한 것이 바로 enzyme engineering이다.

본 연구실에서는 구조를 바탕으로 rational design, random mutagenesis, computational design 등의 방법을 사용하여 가치있는 효소들을 개발하는 연구를 수행하고 있다.

Cyclic Amidohydrolase family enzymes

본 연구실에서는 cyclic amidohydrolase family에 속하는 D-hydantoinase, N-carbamoylase의 특성을 획기적으로 개선하고 이와 관련하여 antibiotics, peptide hormones, pyrethroids, pesticides등의 전구체인 unnatural D-amino acids의 생산공정을 개발하는 연구를 수행해왔다. 현재는 in-silico design 기술을 이용하여 cyclic amidohydrolase family에 속하는 효소들의 structure-function relationship을 밝히고 더 나아가 기능이 향상된 새로운 효소를 rational strategy로 창출하기 위한 연구를 수행 중에 있다.

Quorum-quenching enzymes

colonial organism인 bacteria는 각 개체들간의 의사소통(Quorum-Sensing)을 통해 생존환경에 유기적으로 반응한다. bacteria는 의사소통의 언어로서 많은 종류의 signaling molecule을 만들어 내며 이를 통해 관련된 유전자들의 발현을 조절하고 생리적인 활성을 변화시킨다.

bacteria 특히, pathogenic bacteria의 Quorum Signaling은 치료목적을 위한 연구의 target이며, 본 연구실에서는 signaling을 blocking하여 virulence factor의 발현을 막는 lactonase같은 quorum-quenching enzyme을 중심으로 therapeutic protein을 design하기 위한 연구를 수행하고 있다.

Scaffold Engineering for the Design of New Functions

현존하는 모든 효소는 그 구조에 따라 몇 가지의 전형적인 scaffold로 구별될 수 있는데, 이는 원시 효소의 prototype scaffold로부터 divergent evolution된 결과이다. 본 연구실에서는 이러한 진화 과정을 기반으로 효소의 구조 분석과 directed evolution 방법을 조합하여 기존의 효소와 특성이 전혀 다른 새로운 효소를 rational design하는 연구를 진행 중이다. 최근에는 단백질의 3차원 구조를 바탕으로 활성부위 주변의 여러 loops를 합리적으로 insertion/deletion 시키고 길이를 설계하여 glyoxalaseII의 scaffold로부터 새로운 β-lactamase enzyme을 만들어내는데 처음으로 성공하였다.

In silico Protein Design

Screening system의 단점을 극복하고 원하는 특성을 갖는 효소를 자유자재로 창출하여 궁극적으로 맞춤형 효소 (designer enzyme)의 구현을 위한 획기적인 방법으로 in silico 상에서 효소를 설계할 수 있는 기술을 개발하기 위한 연구가 수행 중이다.

즉, 효소의 구조와 에너지 함수를 바탕으로 컴퓨터 프로그램을 이용하여 효소의 특성을 바꿀 수 있는 부분을 계산, 분석, 설계하고, 이를 단백질 공학 기술을 이용하여 유용한 특성을 갖는 효소를 보다 빠르고 용이하게 창출하고자 하는 시도를 하고 있다. 이러한 기술은 기존에 존재하는 효소의 특성을 개량하는 것뿐만 아니라 새로운 특성을 가진 맞춤형 효소를 De novo로 창출하는 데 이용될 수 있다.

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