생체분자의 다양성 속으로
저희 연구실은 2014년 서울대학교에서 시작하여 현재 김석 희 교수님 지도 하에 석사과정생 1명, 석박사 통합 과정생 8명, 박사 후 연구원 1명이 소속되어 있습니다. 저희 연구실은 DNA 부터 펩타이드, 효소까지 다양한 생체분자의 진화적 다양성에 대해 연구하고 있는데요, 연구 분야는 크게 두 가지, 리보솜에 의한 합성 및 번역 후 수정 펩타이드(RiPP)에 대한 연구와 연 속적 유도진화(continuous directed evolution)에 대한 연구입니다.
리보솜에서 합성된 펩타이드가 효소를 통해 변형되는 과정을 연구하는 RiPP팀은, 분자생물학, 생물정보학, 효소화학과 구조 생물학 등 다양한 학문을 융합 시켜 펩타이드 유래 천연물의 범위를 넓히는 연구를 하고 있습니다. 리보솜 유래 펩타이드를 변형하는 효소의 종류와 그들이 매개하는 화학적 반응이 끝없이 분화되어 있다 보니, 아직 알려지지 않은 반응들의 메커니즘과 생성물의 구조적 특이성을 밝히는 것이 저희 연구의 주 목표입니다. 전구체가 되는 펩타이드의 아미노산 서열 상동성부터 효소의 구조적 상동성까지, 유전적 서열에 기반한 게놈 마이닝(genome mining)을 통해 저희 실험실에서는 아릴-아릴 교차 반응을 매개하는 P450 효소, L-아스파트산-O-메틸전이효소, 오메가-에스터/아마이드 결합을 포함하는 거대 고리 펩타이드 합성 효소 등이 속해진 새로운 생합성 유전자군을 찾아냈습니 다. 효소와 기질 펩타이드의 결정구조를 잡거나, 작용기들을 화학적으로 변형시켜 질량분석과 NMR 분석을 진행하여 각 유전자군의 특이점을 발견해내기도 하였습니다. 속해 있는 유전 자군에 따라 조금씩 다르게 수행하는 화학반응과 효소들의 분자구조, 비슷한 듯 다채로운 펩타이드 생성물까지 유기체가 환 경에 맞추어 생체분자를 진화시킨 과정을 파헤치고 있습니다.
RiPP 팀이 자연의 진화를 탐구한다면, 연속적 유도진화 팀 은 이 자연적 진화 과정을 실험실 안으로 옮겨오는 연구를 하고 있습니다. 다양한 개체를 생성해 내고 그 중 생존에 유리한 것만 선택해내는 자연의 진화과정처럼, 연속적 유도진화는 개체 내 복제와 전사과정에서 유전자를 다양화 시키고, 의도한 선택성에 맞춰 그 다음 세대를 얻어내는 과정을 반복합니다. 이 과정을 통해 최종적으로 특정 기능의 수행이나 안정성 같이 원하는 방향으로 진화된 효소들을 얻을 수 있습니다. 선택성에 맞춰 그 다음 세대를 얻어내는 과정을 반복하여 특정 기능의 수행이나 안정성 같이 원하는 방향으로 진화된 효소들을 최종 적으로 얻어내는 것이 바로 연속적 유도 진화입니다. 저희 연구실은 그 중에서도 생체 안에서 이 증폭과 선택과정을 연속적 으로 이끌어낼 수 있는 방법들을 연구하고 있습니다. 직교적인 RNA 중합효소에 염기쌍의 화학적 구조를 변화시키는 효소를 연결시켜 원하는 유전자 범위 내에서만 돌연변이를 일으키는 eMutaT7과 eMutaT7transition이 대표적인 예시들입니다. 이들 은 단순히 무작위적으로 유전자 변이를 일으키는 방법이 아닌, 높은 선택성을 가지고 표적 유전서열에만 작용한다는 점에 있어서 보다 효율적으로, 그리고 간편하게 실험실에서 효소들을 다양화 시키고 선택할 수 있게 합니다. 실제로 이 변이 유발 효소를 통해 항생제 저항성 유전자를 진화시켜 더 높은 항생제 저항성을 가진 개체를 실험실 환경에서 재현해내기도 하였습니다. 유도 진화를 통해 일어날 수 있는 변이의 구성, 그리고 그를 통해 구조 및 기능적으로 발전할 수 있는 효소들의 영역 은 어디까지 인지 알아보는 연구하고 있습니다.
얼핏 보면 많이 달라보아는 두 분야이지만, 모두 생체 분자 들이 이루어낼 수 있는 다양한 변주들과 그 화학적 함의를 탐구하는 데에 목적을 두고 있습니다. 자연이 이루어낸 다양성을 연구하고 그를 통해 얻은 지식으로 기존의 생물공학이나 의학, 약학이 마주하는 난관들을 파헤쳐내는 것이 저희 연구실의 목표입니다.
연구실 생활
저희 연구실은 매주 한번의 서브 그룹 미팅과 한번의 서브 그룹 미팅과 한번의 그룹 미팅을 진행합니다. 그룹미팅은 다른 연구주제를 가진 구성원 들도 이해할 수 있도록 두 세달 간의 연구성과를 정리하는 시간과, 최신 연구 동향을 학회지 탐색을 통해 알아가는 시간으 로 구성 되어있습니다. 서브미팅 시간에는 그룹미팅 시간에 하지 못했던 실험 하나하나에 대한 토의와 조언이 교수님뿐만 아 니라 비슷한 주제를 연구하는 학생들 간에도 이루어집니다. 저희 교수님이 연구만큼 강조하시는 것이 실험 결과를 전달하는 소통 능력인데요, 그만큼 주어진 미팅 시간 내에 효율적으로 그간의 연구내용을 전달하는 방식에 대해 학생들이 많이 고민 하고 연습합니다. 대학원생들의 프로포절 및 졸업 논문 구두발표, 연구실에 인턴을 오는 학생들의 학부 연구 포스터 발표까지 준비과정에서 구성원 모두가 예행 연습을 들어주고 조언을 해 주는 덕에 학부 연구 포스터 대회에서는 여러차례 좋은 결과를 얻기도 했습니다. 끈끈한 결속력과 서로에 대한 피드백으로 함께 성장해나가는 분위기는 저희 연구실의 자랑입니다. 연구에 있어서의 커뮤니케이션은 같은 랩 구성원들 뿐 아니라 다른 분야를 연구하는 사람들 사이에서도 중요한데요, 이를 위해 같은 층을 공유하는 전기화학, 촉매화학 연구실과 함께 학생들이 주도 하는 심포지움을 열기도 하고, 같은 화학부 뿐만 아니라 약학 대학 등 다른 단과대학 연구실과도 활발한 협력 연구를 이루 어내고 있습니다.
활발한 학문적인 커뮤니케이션을 가능하게 하는 것은 평소에 다져 놓은 친목과 연구실의 화목한 분위기입니다. 저희 랩은 유독 운동을 좋아하는 사람들이 많아 날씨가 좋은 봄 가을에는 연구실 바로 옆의 관악산을 함께 등반하기도 하고, 한강을 따라 인천까지 자전거를 타며 가기도, 연구실 구성원들끼리 같이 테니스나 배드민턴을 치면서 즐거운 시간을 보내기도 합니다. 매 학기 시작 전 연구실 대청소를 한 후에 맛있는 음식을 시켜 먹고, 학기시작 즈음 항상 하는 연구실 회식도 빼놓을 수 없습니다. 이렇게 연구 외에도 다양한 활동을 같이하며 오랜 시간을 함께한 덕에, 즐겁고 상호적인 의사소통 속에서 함께 공부할 수 있는 것 같습니다.
같은 생체 분자도 그 생물학적 환경에 따라 다양하게 진화하여 여러 기능을 수행하듯, 저희 연구실에서 최선을 다해 연구하 고 소통하며 성장한 학생들은 사회로 나아가 다양한 분야에서 활약하고 있습니다. 지금 이 순간에도 열심히 연구를 수행하는 학생들과 지도에 열의를 기울여주시는 교수님께 감사함을 표하며 이 글을 마칩니다.
