가수분해효소보다 다양한 환경에서 작동 가능한 고내구성 가수분해효소 모방체가 개발됐다. 

경북대 융합학부 민경익 교수팀은 촉매 펩타이드 자기조립에 공유결합을 도입해 외부 환경의 변화에 상관없이 우수한 안정성을 지니는 새로운 가수분해효소 모방체인 나노펩자임(nanopepzyme)을 개발했다.

가수분해효소는 일반적으로 물을 사용해 화합결합을 분해하는 생화학적 촉매 역할을 하는 효소 부류다. 기질에 대한 특이성과 높은 촉매 효율로, 바이오 이미징, 환경 정화, 바이오 센싱 등 다양한 산업 분야에 활용되고 있다. 그러나 pH, 온도, 용매 등 주변 환경 변화에 따라 구조 변성과 촉매 활성의 저하가 나타날 수 있으며, 고비용의 생산 공정, 보관 및 재사용이 어렵다는 문제가 있다. 
이에 단백질 구성요소인 펩타이드의 자기조립을 이용한 가수분해효소 모방체를 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나 자기조립의 약한 비공유결합 특성으로 인해 효소와 마찬가지로 외부 환경 변화에 따라 구조 변성이 일어나고 사용범위가 제한될 수도 있다. 

민경익 교수팀은 가수분해효소의 활성 부위를 구성하고 있는 촉매 기능성 아미노산인 히스티딘을 활용해 펩타이드를 설계했다. 디자인된 펩타이드에 가시광선을 비추면 공유결합성 자기조립을 통해 단 10분 만에 구 형태의 나노펩자임으로 형성되고, 구조체 표면에는 다수의 촉매 활성 부위가 구현됐다. 

개발된 나노펩자임은 표면에 다수 노출된 히스티딘 간의 시너지 효과로 기존에 개발된 가수분해효소 모방체에 비해 10배 가량 향상된 촉매 활성이 나타났다. 민 교수팀은 나노펩자임은 강한 공유결합 네트워크를 통해 합성되었기 때문에 다양한 온도, pH, 이온 강도, 유기용매 등에서 일주일 동안 99% 이상의 촉매 활성을 유지하고, 간단한 원심분리 만으로 10번 이상의 재회수, 재사용이 가능하다고 설명했다. 또한, 180일 동안 상온 보관 후에도 촉매 활성이 유지되는 것을 확인했다. 

민경익 교수는 “이번 연구는 처음으로 공유결합성 펩타이드 자기조립을 도입한 가수분해효소 모방체 연구로 큰 의미가 있다. 개발된 나노펩자임은 다양한 조건에서 작용이 가능할 뿐만 아니라 고내구성으로 장기간 사용할 수 있고, 재사용․재회수까지 가능해 경제성까지 갖췄다.”라며, “기존 가수분해효소를 대체해 플라스틱과 살충제 등 오염물질 분해와 고감도 바이오 센싱 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것이다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 우수신진연구사업의 지원을 통해 수행됐으며, 교신저자는 민경익 교수, 제1저자는 같은 학과 허윤미 박사과정생이다. 연구 결과는 최근 재료과학 분야 국제저명학술지인 ‘스몰 스트럭처스(Small Structures, Impact factor: 15.9)’ 온라인판에 게재됐다.

논문제목: Covalently Self-Assembled Peptide-Based Hydrolase Mimicfor Realizing Exceptional Catalytic Longevity in Foreign Environments
(펩타이드 공유결합으로 자기조립된 고내구성 가수분해효소 모방체의 개발)

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