생명체는 다양한 방식으로 시간을 모니터링하고 시간에 반응한다. 심지어 마이크로초 단위처럼 매우 작은 단위의 시간조차 빛과 소리를 감지하거나 일일 수면 주기, 월경 주기, 계절 변화 등 미리 프로그램된 생리적으로 반응한다. 다양한 시간 척도에서 반응할 수 있는 이러한 능력은 정밀한 분자 타이머처럼 작동하거나 통신하는 분자 스위치나 나노머신을 통해 가능해지며, 환경과 시간에 반응하여 켜지거나 꺼지도록 프로그램된다.

최근 몬트리올 대학의 과학자들은 새로운 연구를 통해 다양한 시간 척도에 걸쳐 생물체 안에 있는 나노머신의 활성화 및 비활성화 속도를 모두 프로그래밍할 수 있는 두 가지 별개의 방법을 성공적으로 재현하고 검증했다. 그들의 연구 결과는 Journal of the American Chemical Society에 게재되었다. 이 획기적인 발견은 엔지니어들이 나노의학과 다른 기술을 개선하기 위해 자연적 과정을 어떻게 활용할 수 있는지를 제시하는 동시에 생명이 어떻게 진화했는지 설명하는 데 도움이 된다. 생체 분자 스위치 또는 나노머신은 일반적으로 단백질이나 핵산으로 만들어지며, 생명이라는 기계의 핵심이다. 이러한 생체 시계는 화학 반응, 분자 운반, 에너지 저장, 운동 및 성장 활성화를 포함한 수천 가지 핵심 기능을 수행한다.

하지만 이러한 스위치가 어떻게 진화하여 다양한 시간 척도에서 활성화되었는지는 의문이었다. 이는 오랫동안 화학자들을 매료시킨 핵심 질문이며, 1960년대 모노-와이먼-샹주(Monod-Wyman-Changeux 세명의 생물학자 이름을 따서 만들어진 메커니즘, MWC모델이라고 함)와 코슐랜드-네메시-필머(Koshland-Nemethy-Filmer 생물학계에서 KNF 모델이라고 함)의 선구적인 연구 이후로 두 가지 인기 있는 메커니즘이 일반적으로 생물 분자 스위치의 활성화를 제어한다고 가정한다.

"문의 비유는 이 두 가지 메커니즘을 설명하기에 편리합니다. 닫힌 문은 스위치나 나노머신의 비활성 구조를 나타내는 반면, 열린 문은 활성 구조를 나타냅니다. 스위치와 빛이나 분자와 같은 활성화 분자 간의 상호 작용이 활성화 메커니즘의 유형을 결정합니다." 이 번 새로운 연구의 주요 연구자인 화학 교수 알렉시 발레-벨리슬의 말이다.

"유도적 적합 메커니즘에서 활성화 분자 또는 사람이 닫힌 문의 손잡이를 잡습니다. 이는 빠르게 여는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 구조적 선택 메커니즘에서 활성화 분자는 문이 자발적으로 열릴 때까지 기다려야 나중에 열린 구조에서 상호 작용하고 차단할 수 있습니다." 발레-벨리슬 박사가 덧붙여 설명했다.

이 두 가지 메커니즘은 많은 단백질에서 관찰되었지만, 과학자들은 최근에야 이 메커니즘이 더 나은 나노시스템을 설계하는 데에도 사용될 수 있다는 것을 깨달았다.

DNA를 사용하여 나노도어를 구축하다
이 두 가지 메커니즘과 그 기능의 미스터리를 풀기 위해 연구자들은 DNA를 사용하여 간단한 분자 "문"을 성공적으로 재현했다. DNA는 주로 생물체의 유전 코드를 인코딩하는 능력으로 알려졌지만, 여러 생명공학자도 나노스케일로 물체를 제작하기 위해 간단한 화학을 사용하기 시작했다.

"단백질에 비해 DNA는 매우 프로그래밍 가능하고 다재다능한 분자입니다. 그것은 우리가 나노 스케일에서 마음에 드는 것을 무엇이든 만들 수 있게 해주는 화학의 레고 블록과 같습니다." 몬트리올 대학교(Université de Montréal)의 화학 연구원이자 새로운 연구의 공동 저자인 도미닉 로존이 말했다.

천배 더 빠르다
DNA를 사용하여 몬트리올 대학 과학자들은 동일한 활성화 분자를 사용하여 두 가지 다른 메커니즘을 통해 활성화될 수 있는 5나노미터 폭의 "문"을 만들었다. 이를 통해 연구자들은 두 스위칭 메커니즘을 동일한 기준으로 직접 비교하여 설계 원리와 프로그래밍 능력을 테스트할 수 있었다.

그들은 "문 손잡이"(유도적 맞춤) 스위치가 활성화 분자가 문을 여는 속도를 높이는 에너지를 제공하기 때문에 1,000배 더 빨리 활성화되고 비활성화된다는 것을 발견했다. 반면에 손잡이가 없는 훨씬 느린 스위치(구조적 선택)는 문을 닫아두는 상호 작용의 강도를 증가시키기만 하면 훨씬 더 느린 속도로 열리도록 프로그래밍할 수 있다.

"우리는 분자 핸들을 설계하는 것만으로도 실제로 스위치 속도 활성화를 수 시간에서 수 초로 프로그램할 수 있다는 것을 발견했습니다. 우리는 또한 스위치와 나노머신의 활성화 속도를 프로그래밍하는 이 능력이 화학적 사건이 특정 시간에 프로그래밍되어야 하는 나노기술에 많은 응용 프로그램을 찾을 수 있을 것으로 생각했습니다."라고 생화학 대학원생이자 제1저자인 칼 프레보스트-트렘블레이가 설명했다.

새로운 약물 전달 기술을 향해
다양한 속도로 활성화되고 비활성화되는 나노시스템을 개발하는 데 큰 도움이 될 수 있는 분야 중 하나는 나노의학이다. 나노의학은 약물 방출 속도를 프로그래밍할 수 있는 약물 전달 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 이는 환자가 약물을 복용하는 빈도를 최소화하고 치료 기간 신체 내에서 적절한 약물 농도를 유지하는 데 도움이 된다. 연구진은 두 가지 메커니즘의 높은 프로그래밍 가능성을 보여주기 위해, 어떤 프로그래밍된 속도로든 약물을 방출할 수 있는 항말라리아 약물 운반체를 설계하고 테스트했다.

"분자 핸들을 엔지니어링함으로써, 우리는 활성화 분자를 간단히 첨가하여 약물을 빠르고 즉각적으로 방출할 수 있는 운반체를 개발했습니다. 그리고 핸들이 없는 경우, 우리는 또한 약물이 활성화된 후 약물을 프로그래밍 할 수 있는 느린 연속 방출하는 운반체를 개발했습니다."라고 연구의 저자이기도 한 생물의학 공학 석사과정 학생 아실 비뉴(Achille Vigneault)가 말했다.

과학자들은 이러한 결과를 통해 두 신호 전달 메커니즘의 뚜렷한 진화적 역할과 이점이 밝혀졌으며, 일부 단백질이 어느 한 메커니즘을 통해 활성화되도록 진화했는지도 설명할 수 있다고 말했다. 예를 들어, 빛을 감지하거나 냄새를 감지하기 위해 빠른 활성화가 필요한 세포 수용체는 빠른 유도적 적합 메커니즘에서 이점을 얻을 가능성이 높다. 반면에 프로테아제 억제와 같이 몇 주 동안 지속되는 프로세스는 확실히 더 느린 형태 선택 메커니즘에서 이점을 얻는다.

참조:
Carl Prévost-Tremblay, Achille Vigneault, Dominic Lauzon, Alexis Vallée-Bélisle. Programming the Kinetics of Chemical Communication: Induced Fit vs Conformational Selection. Journal of the American Chemical Society, 2024; DOI: 10.1021/jacs.4c08597