김기현 교수 연구팀과 나노공학과 김용호 교수 연구팀은 최근 빛과 칼슘을 동시에 이용하여 단백질의 구조와 기능을 정밀하게 제어할 수 있는 혁신적 분자를 개발했다고 밝혔다. 이 연구는 특정 파장의 빛에 노출되면 자체적으로 결합해 Ca²⁺ 결합 이합체를 형성하는 ‘사진전환 유기–펩타이드 하이브리드’의 설계와 실험적 검증을 통해, 빛과 칼슘을 동시에 인식하는 다기능 센서 개발 가능성을 제시한다. 연구진은 ‘Ca²⁺-binding switch (CaBS)’라 명명된 분자를 컴퓨터 기반 설계 도구인 Rosetta와 분자동역학 시뮬레이션을 통해 설계했다. CaBS는 전통적인 Ca²⁺ 결합 단백질인 칼모듈린에서 볼 수 있는 EF-hand 모티프와, 가역적으로 이성질화 가능한 스피로피란(SP) 및 메로시아닌(MC) 상태를 오가는 사진전환 그룹을 결합하여, 빛의 자극에 따라 구조적 변화를 유도하는 독특한 메커니즘을 구현하였다. 특히, 이 분자는 빛에 의해 SP 상태에서 MC 상태로 전환될 때 내부의 산성 페놀기가 노출되며, 이 과정이 Ca²⁺ 결합 부위의 형성에 결정적인 역할을 한다. SP 상태에서는 CaBS가 단일체로 존재하지만, MC 상태에서 Ca²⁺가 결합하면 도메인 교환을 통한 필수적인 이합체 구조로 전환되며, 이때 두 개의 Ca²⁺ 결합 부위가 인터페이스에 형성된다. 연구팀은 이러한 ‘AND 게이트’ 메커니즘—즉, 빛과 칼슘이 동시에 작용할 때만 분자의 백본 구조, 동역학, 집합 상태 및 형광 특성이 변화하는 현상—이 향후 생명공학 및 센서 기술에 획기적인 전환점을 가져올 것으로 기대하고 있다. 연구 결과는 핵자기공명(NMR), 등온 적정 칼로리미터(ITC), 그리고 광학 적정 등 다양한 실험 기법을 통해 체계적으로 검증되었으며, 이를 통해 소분자 공학과 단백질 설계의 결합이 환경 신호에 민감하게 반응하는 새로운 바이오센서 개발의 길을 열어줄 수 있음을 입증했다.
이번 연구 성과가 향후 생명체 내 신호 전달 체계의 정밀 조절, 스마트 약물 전달 시스템, 그리고 첨단 진단 기술 등 다양한 분야에서 혁신적 응용으로 이어질 것이라고 전망한다. 이번 연구는 빛과 칼슘을 이용한 단백질 제어 기술이 단순히 학문적인 호기심을 넘어 실제 응용 가능한 기술로 발전할 수 있음을 보여주는 사례로, 미래의 차세대 바이오센서 및 스마트 시스템 개발에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.
이 연구는 세계적 학술지 Proceedings of the National Academy of Sciences USA [IF 9.4]에 게재 되었다.
※ 논문명: Design of a light and Ca2+ switchable organic–peptide hybrid
※ 저자명: 김기현(교신저자), 이서윤 (공동저자), 정세윤 (공동저자)
김기현 교수 연구팀과 나노공학과 김용호 교수 연구팀은 최근 빛과 칼슘을 동시에 이용하여 단백질의 구조와 기능을 정밀하게 제어할 수 있는 혁신적 분자를 개발했다고 밝혔다. 이 연구는 특정 파장의 빛에 노출되면 자체적으로 결합해 Ca²⁺ 결합 이합체를 형성하는 ‘사진전환 유기–펩타이드 하이브리드’의 설계와 실험적 검증을 통해, 빛과 칼슘을 동시에 인식하는 다기능 센서 개발 가능성을 제시한다. 연구진은 ‘Ca²⁺-binding switch (CaBS)’라 명명된 분자를 컴퓨터 기반 설계 도구인 Rosetta와 분자동역학 시뮬레이션을 통해 설계했다. CaBS는 전통적인 Ca²⁺ 결합 단백질인 칼모듈린에서 볼 수 있는 EF-hand 모티프와, 가역적으로 이성질화 가능한 스피로피란(SP) 및 메로시아닌(MC) 상태를 오가는 사진전환 그룹을 결합하여, 빛의 자극에 따라 구조적 변화를 유도하는 독특한 메커니즘을 구현하였다. 특히, 이 분자는 빛에 의해 SP 상태에서 MC 상태로 전환될 때 내부의 산성 페놀기가 노출되며, 이 과정이 Ca²⁺ 결합 부위의 형성에 결정적인 역할을 한다. SP 상태에서는 CaBS가 단일체로 존재하지만, MC 상태에서 Ca²⁺가 결합하면 도메인 교환을 통한 필수적인 이합체 구조로 전환되며, 이때 두 개의 Ca²⁺ 결합 부위가 인터페이스에 형성된다. 연구팀은 이러한 ‘AND 게이트’ 메커니즘—즉, 빛과 칼슘이 동시에 작용할 때만 분자의 백본 구조, 동역학, 집합 상태 및 형광 특성이 변화하는 현상—이 향후 생명공학 및 센서 기술에 획기적인 전환점을 가져올 것으로 기대하고 있다. 연구 결과는 핵자기공명(NMR), 등온 적정 칼로리미터(ITC), 그리고 광학 적정 등 다양한 실험 기법을 통해 체계적으로 검증되었으며, 이를 통해 소분자 공학과 단백질 설계의 결합이 환경 신호에 민감하게 반응하는 새로운 바이오센서 개발의 길을 열어줄 수 있음을 입증했다.
이번 연구 성과가 향후 생명체 내 신호 전달 체계의 정밀 조절, 스마트 약물 전달 시스템, 그리고 첨단 진단 기술 등 다양한 분야에서 혁신적 응용으로 이어질 것이라고 전망한다. 이번 연구는 빛과 칼슘을 이용한 단백질 제어 기술이 단순히 학문적인 호기심을 넘어 실제 응용 가능한 기술로 발전할 수 있음을 보여주는 사례로, 미래의 차세대 바이오센서 및 스마트 시스템 개발에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.
이 연구는 세계적 학술지 Proceedings of the National Academy of Sciences USA [IF 9.4]에 게재 되었다.
※ 논문명: Design of a light and Ca2+ switchable organic–peptide hybrid
※ 저자명: 김기현(교신저자), 이서윤 (공동저자), 정세윤 (공동저자)