블루라이트로 제어할 수 있는 효소

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빛은 다양한 방식으로 살아있는 유기체에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 식물은 성장 방향을 태양을 향하게 하는 반면, 인간의 일주기 리듬은 일광에 의해 제어됩니다. 이러한 과정에는 항상 다양한 색상과 빛의 강도를 감지할 수 있는 단백질인 광수용체가 포함됩니다.

이제 그라츠 공과대학교(TU Graz)의 연구원들은 매우 효율적인 광수용체의 기능을 해독했습니다. 그들의 연구 결과는 Science Advances 저널에 게재되었습니다. 연구팀은 많은 박테리아에서 발견되는 디구아닐레이트 사이클라제 단백질을 연구했습니다. 그 효소 기능은 박테리아의 생활 방식을 조절하는 중앙 전달 물질의 생성을 조절합니다. 어둠 속에서 단백질은 거의 완전히 비활성화되지만, 일광의 청색 성분에 노출되자마자 효소 활성이 급격히 증가합니다. "단백질의 효소 활성은 어둠 속에서보다 빛에 노출되었을 때 약 10,000배 더 높습니다."라고 TU Graz 생화학 연구소의 광생화학 실무 그룹 책임자인 Andreas Winkler가 말했습니다. 대부분의 광수용체에서 활성은 몇 가지 요인에 의해 증가합니다. Winkler는 "반면에 우리가 특성화한 단백질은 매우 강하게 반응하기 때문에 실제로 온-오프 스위치처럼 작동합니다"라고 Winkler는 설명했습니다. 이와 같은 효율적인 단백질 스위치는 향후 광유전학 도구를 향상하고 최적화하는 데 사용될 것입니다.

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연구자들은 이제 단백질 스위치의 구조와 기능을 밝혀냈습니다. 단백질은 두 가지 기능적 부분으로 구성됩니다. 하나는 청색광 인식을 담당하고, 다른 하나는 화학 반응의 촉매 역할을 하는 실제 효소 활동을 담당합니다. 청색광에 노출되면 단백질의 구조가 변경됩니다. 비활성 상태에서는 전체 단백질이 조밀한 형태이지만, 빛과 접촉하면 단백질이 늘어나 이전에 분리된 효소 부분을 연결합니다. 그런 다음, 단백질은 환경 조건이 변화하고 있음을 박테리아에 알리는 특정 메신저 분자를 생성합니다. 가능하다면 박테리아는 이러한 새로운 조건에 적응합니다. 안드레아스 윙클러(Andreas Winkler)는 “이것의 예는 박테리아가 환경 영향에 더 저항하도록 만드는 생물막으로 알려진 집합체의 형성입니다.”라고 설명했습니다.

연구의 제1저자이자 TU Graz 생화학 연구소의 박사 과정 학생인 Uršula Vide는 “우리 연구가 이 매혹적인 단백질의 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공했다는 사실에 정말 기쁩니다.”라고 말했습니다. “이 빛 뒤에 있는 메커니즘을 이해하는 것 -활성화된 효소 스위치는 다양한 분야에 응용할 수 있는 가능성을 열어줍니다.” 그 중 하나는 의학에서 사용되는 광유전학적 치료 방법인데, 빛을 조절하는 단백질 스위치에 연결된 약물은 정확한 시간에 신체의 매우 제한된 부위에만 효과가 나타나 잠재적인 부작용을 줄일 수 있습니다. 단백질 스위치는 또한 분자 수준에서 특정 변화를 표적화하여 보다 효과적으로 분석할 수 있기 때문에 세포 생물학 연구에 이점을 제공할 것입니다.”그러나 우리는 이 특정 스위치를 실제로 적용하려면 아직 멀었습니다. "라고 Winkler는 지적했습니다. 그러나 그는 그의 팀의 연구가 몇 가지 중요하고 근본적인 통찰력을 얻었다고 믿습니다.

실험을 위해 연구자들은 원래 박테리아에서 단백질을 분리하지 않고 대신 유전 공학의 도움을 받아 실험실에서 단백질을 생산했습니다. 그들은 X선 회절을 이용해 분자 구조를 분석했고, 이는 3차원 모델의 기초를 형성했습니다. 보충 실험과 결합된 이 모델을 통해 연구자들은 청색광에 노출 시 단백질 구조의 변화에 ​​대한 추론을 도출할 수 있었고, 이는 생물학적 스위치의 분자 기능에 대한 구체적인 결론으로 ​​해석되었습니다.