(왼쪽부터)고민섭 교수, 배지은 석박통합과정생, 김소란 석사 졸업생.(사진=부산대 제공)

부산대학교 연구팀이 단백질을 필요할 때만 작동시키도록 일부러 ‘꺼진 상태’로 만든 뒤 불소 이온으로 다시 ‘켜는’ 신기술을 개발해, 질병 연구에서 단백질 기능을 정밀하게 조절할 수 있는 길을 열었다.

부산대는 화학과 고민섭 교수 연구팀이 단백질 기능에 핵심적인 아미노산 자리에 비천연 아미노산을 유전적으로 도입해 단백질을 일시적으로 비활성화한 뒤, ‘불소 이온’이라는 화학적 자극을 가하면 해당 아미노산이 원래 상태로 복원되면서 단백질 기능이 다시 활성화되는 새로운 단백질 제어 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

연구팀은 ‘유전자 코드 확장’ 기술을 이용해 단백질에 비천연 아미노산(타이로신 유도체)을 도입하고, 불소 이온 처리만으로 해당 아미노산을 자연 타이로신으로 복원해 단백질 기능을 원하는 시점에 활성화할 수 있는 ‘화학적 액추에이터(actuator)’ 전략을 제시했다.

이번 연구는 단백질 기능에 필수적인 아미노산인 타이로신의 페놀기를 불소 이온에 의해 선택적으로 제거될 수 있는 보호기로 차단한 비천연 아미노산을 설계한 뒤, 이를 단백질 핵심 위치에 삽입함으로써 초기에는 단백질 기능을 억제하고, 불소 이온을 가했을 때 보호기가 제거되며 자연 타이로신이 복원돼 기능이 회복되도록 한 것이 핵심이다.

단백질이 제대로 작동하려면 아미노산(타이로신)의 특정 작용기인 페놀기(-OH)가 노출돼 있어야 한다. 페놀기는 단백질 안에서 수소결합, 반응성 등의 기능에 직접 관여하는데, 이런 역할은 페놀기가 접근 가능하게 드러나 있어야 일어난다.

연구팀은 페놀기를 보호기로 가린 특수 타이로신 ‘비천연 아미노산’을 먼저 설계했다. 이 비천연 아미노산을 단백질의 핵심 자리에 끼워 넣으면, 보호기 때문에 페놀기가 가려져 단백질의 기능이 억제된다. 이후 불소 이온을 넣어 주면 불소 이온이 보호기와 선택적으로 반응해 보호기가 제거되고, 가려져 있던 페놀기가 다시 노출된다. 그 결과 비천연 아미노산이 원래의 자연 아미노산 상태로 복원되면서 단백질 기능이 회복되는 것이다.

해당 전략을 형광 단백질과 유전자 재조합 효소인 Cre recombinase에 적용해 시험관 내 실험뿐 아니라 살아있는 세포에서도 불소 이온 처리에 의해 단백질 기능이 활성화됨을 입증했다.

기존 단백질 조절 연구가 주로 단백질 생성(유전자 발현) 단계에 집중해 온 것과 달리, 이번 성과는 세포 내에 이미 존재하는 단백질을 유전자 발현 조절에 의존하지 않고 화학적 자극으로 직접 제어할 수 있는 접근법을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

이 기술은 비활성 상태의 단백질을 화학 자극으로 활성 상태로 전환할 수 있어 합성생물학·세포공학 등의 분야에서 새로운 단백질 제어 도구로 활용될 수 있다. 또한 질병 관련 단백질의 ‘활성 시점’에 따른 세포 반응 비교·분석, 약물 표적 단백질의 기능 검증 및 작용 메커니즘 규명 등 기초 연구 단계에서도 폭넓게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 화학 분야 국제 최고 권위 학술지인 『미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)』 2025년 12월 10자에 게재됐다.

해당 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구사업과 교육부 G-램프(G-LAMP) 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 부산대 화학과 배지은 석박통합과정생과 김소란 석사 졸업생이 공동 제1저자로 참여했고 고민섭 교수가 교신저자로 연구를 총괄했다.

고민섭 교수는 “이번 연구는 이미 세포 내에 발현돼 있는 단백질의 기능을 불소 이온이라는 화학적 트리거(활성화 신호/방아쇠)를 통해 직접적으로 활성화할 수 있음을 보여준 연구”라며 “유전자 발현 조절이 아닌 단백질 수준에서의 화학적 기능 제어 전략으로서 다양한 생명과학 연구에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.