UC 산타바버라 연구팀, 비천연 아미노산 합성을 위한 효율적인 방법 개발

UC 산타바버라 연구팀이 비천연 아미노산을 효율적으로 합성하고 이를 펩타이드 구조에 적용하는 기술을 개발했다. 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재된 이 방법론은 펩타이드 연구를 크게 발전시켜, 과학자들이 자연에 존재하는 22종 이외의 아미노산을 더 광범위하게 활용할 수 있게 할 것이다.

교신 저자인 임명장(Liming Zhang) 화학 및 생화학부 교수의 실험실 소속 박사 과정생이자 제1 저자인 필 콘케(Phil Kohnke)는 "핵심적인 장점은 이 아미노산들이 별도의 변형 단계 없이 펩타이드 제조에 직접 사용할 수 있는 형태로 공정에서 나온다는 점이다"라며, "기존 방식과 비교했을 때 지금까지 보고된 방법 중 가장 간단하고 광범위하게 유용한 방법의 하나다"라고 말했다.

이 기술을 통해 과학자들은 자연에 존재하는 22종 이외의 아미노산을 훨씬 더 높은 효율로 활용할 수 있게 된다. 펩타이드 합성에 즉시 사용할 수 있는 형태로 아미노산을 생산함으로써, 이 방법은 전통적인 방식에서 요구되었던 여러 까다로운 단계를 제거한다.

아미노산은 단백질의 구성 요소로, 가장 기본적인 생물학적 분자 중 하나다. 10개에서 50개의 아미노산을 연결하면 펩타이드가 된다. 단백질은 더 길고 복잡하며 여러 개의 펩타이드로 구성될 수 있다. 한 아미노산의 아미노기는 항상 다른 아미노산의 카르복실산기와 연결된다. 아미노산의 배열 순서는 펩타이드와 단백질의 결정적인 특징이다.

수백 종류의 아미노산이 있지만, 생명체가 단백질을 만드는 데 자연적으로 사용하는 것은 22종뿐이다. 여기에는 DNA에 코딩된 20종의 표준 아미노산과 다른 메커니즘으로 생성되는 2종이 포함된다. 과학자들은 이미 천연 아미노산을 저렴하게 생산할 수 있다. 장 교수는 "하지만 우리는 비천연 또는 비표준 아미노산을 펩타이드 합성에 직접 사용할 수 있는 방식으로 만드는 효율적인 화학 합성법을 개발했다"라고 설명했다.

최근 발표된 논문은 아미노산을 합성한 후 레진 지지체를 사용하여 펩타이드로 결합하는 새로운 기술을 자세히 설명한다. 연구팀은 금 촉매를 사용하여 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 화학 원료로부터 아미노산을 만든다. 이 기술은 입체 선택성이 매우 높아, 원치 않는 우선성(right-handed)과 좌선성(left-handed)의 혼합물이 아닌 특정 방향성을 가진 아미노산을 생산할 수 있다.

현재의 합성 기술은 펩타이드 합성 과정에서 아미노기를 보호하는 성분을 제거하고 산 그룹을 활성화하는 과정이 필요하다. 그러나 연구팀의 방법은 산 그룹이 이미 반응할 준비가 된 상태로 아미노산을 생산하며, 아미노기만 노출시키면 된다.

연구팀은 아미노산으로부터 펩타이드를 조립하기 위해 레진 지지체를 사용했다. 지지체는 성장하는 펩타이드의 한쪽에 부착되어, 세척과 반복 과정을 통해 아미노산을 하나씩 분자에 추가할 수 있게 한다. 그는 "기본적으로 레진에 물질을 붙인 다음 사슬을 키워나가는 방식이다"라고 말했다.

이 기술은 정제 과정을 크게 단순화하기 때문에 산업계에서 인기가 높다. 용액에서 펩타이드를 정제하는 지루한 노력을 기울이는 대신, 지지체에서 분자를 분리해 씻어내기만 하면 된다. 콘케는 "우리의 방법은 큰 마찰이나 조정 없이도 이 공정에 그대로 도입될 수 있다"라고 덧붙였다.

더 많은 아미노산을 활용할 수 있게 된 것은 생화학자, 의학 연구자 및 재료 과학자들에게 완전히 새로운 가능성을 열어준다. 하지만 비천연 아미노산을 만드는 것은 종종 어렵고 비싸거나 비실용적이다. 콘케는 "기존의 많은 방법은 시간이 많이 걸리는 여러 단계를 포함하거나, 좁은 범위의 분자에만 적용 가능하거나, 펩타이드 합성을 위해 추가적인 처리가 필요하다"라고 지적했다. 새로운 기술은 이러한 문제들을 대부분 해결하여, 펩타이드 합성에 즉시 유용한 아미노산을 쉽고 저렴하게 생산한다.

장 교수는 특히 새로운 펩타이드 치료제 개발에 관심이 많다. 1920년대 인슐린이 처음 합성된 이후 전 세계적으로 80종 이상의 약물에 펩타이드가 사용되어 왔으며, 이는 제1형 당뇨병을 사형 선고에서 완전히 관리 가능한 상태로 변화시켰다. 비천연 아미노산을 포함하는 펩타이드는 효소에 더 잘 견디게 만들거나 표적 수용체에 더 효과적으로 맞도록 설계될 수 있다.

현재의 연구는 일차적으로 화학계의 성과이지만, 향후 의약 화학자들에게 펩타이드 치료제를 설계하고 시험할 수 있는 더 풍부한 도구 상자가 제공됨으로써 전임상 약물 연구에 정보를 제공할 수 있다. 연구팀은 현재 이 방법론을 약물 개발 및 재료 과학 분야의 연구자들이 활용할 수 있도록 협력을 모색하고 있다.