iro 합성의 어려움 극복

과학자들은 복잡한 철-황 단백질의 무세포 합성을 위한 효율적인 원포트 프로토콜을 개발합니다.

도쿄공업대학

이미지: 이 다이어그램은 제안된 합성 프로토콜과 관련된 두 가지 주요 단계를 보여줍니다. 1단계에서는 '미성숙'(apo) 단백질을 합성하는 데 사용되는 PURE 시스템과 함께 무산소 환경을 만드는 데 사용되는 화학적 캐스케이드를 보여줍니다. 2단계에서는 [4Fe-4S] 클러스터를 apo 단백질에 추가하여 기능적이고 성숙한 [4Fe-4S] 단백질을 생성하는 SUF 기계의 구현을 보여줍니다.더보기

출처: Wang 및 Nishikawa et al. 2023 ACS 합성 생물학

Fe-S 단백질의 일부인 Fe-S 클러스터는 모든 형태의 생명체에서 발견됩니다. 이들은 호흡과 신진대사에 관여하는 생물학적 보조 인자(다양한 생화학적 변형에서 이러한 단백질을 돕는 보조 분자)로서 중요한 역할을 합니다. 이 클러스터는 진화의 중요한 부분으로 간주되기 때문에 연구에 큰 관심을 갖고 있습니다. 이는 생물 이전 화학(생명 형태가 출현하기 전에 존재했던 화학적 과정)과 오늘날 우리가 알고 있는 복잡한 분자 및 생물학적 시스템 사이의 연결 고리 역할을 합니다. 간단히 말해서, 그들은 지구상의 생명체 출현을 가져온 원시적인 촉매제 중 하나일 수 있습니다. 따라서 Fe-S 단백질을 합성하는 편리한 방법을 갖는 것은 젊은 지구 생물학에 대한 우리의 이해를 향상시키고 생명의 기원에 대한 궁극적인 질문에 답하는 데 도움이 될 것입니다.

그러나 널리 퍼져 있음에도 불구하고 세포 외부에서 성숙한 Fe-S 단백질을 합성하는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다. 합성을 위해 복잡한 세포 기계가 필요할 뿐만 아니라 Fe-S 클러스터와의 반응으로 인해 산소와 접촉하면 쉽게 분해됩니다. 따라서 과학자들은 먼저 불완전한(또는 'apo') 단백질을 생산하고 추출한 다음 엄격히 산소가 부족한 조건에서 성숙(Fe-S 보조 인자 추가)하는 복잡한 경로를 따라야 했습니다. 그러나 이 과정을 더욱 어렵게 만드는 것은 최종 추출물에 철 함유 단백질이 오염되어 있다는 것입니다.

최근 연구에서 도쿄공과대학 지구생명과학연구소(ELSI) 부교수 후지시마 코스케와 숀 맥글린, 국립중앙대학 조교수 포샹 왕을 포함한 연구팀이 새로운 프로토콜을 개발했습니다. Fe-S 클러스터가 입방체 구조 내에 배치된 성숙한 [4Fe-4S] 단백질을 생성합니다. 연구팀은 성숙한 Fe-S 단백질을 전달하기 위한 산소 제거 시스템의 존재로 인해 무산소 환경에서 기능하는 특수한 Fe-S 조립 단백질 시스템 경로를 고안했습니다.

연구진은 먼저 황 형성(SUF) 시스템으로 알려진 것을 조립하려고 했습니다. 박테리아에서 이 다중단백질 시스템에는 [4Fe-4S] 클러스터를 생성하는 데 필요한 모든 기계가 포함되어 있습니다. 유사한 기능을 가진 다른 경로(예: 질소 고정 및 테론-황 클러스터 시스템)와 비교할 때 산소에 대한 내성이 더 높습니다. 연구팀은 세포가 없는 환경에서 기능할 수 있는 능력을 갖춘 6개의 단백질 하위 단위로 구성된 재조합 SUF 경로를 만들었습니다.

시험관 내에서 무산소 환경을 유지하기 위해 연구진은 산소 제거 시스템 역할을 하는 3가지 효소 다단계(연속적으로 발생하는 3가지 효소 반응 세트)를 도입했습니다. 이 청소 시스템은 환경에서 산소를 제거하는 동시에 시스템의 효율성도 향상시킵니다. 이는 SUF 시스템에 의한 Fe-S 클러스터 합성에 필요한 전자 운반체인 환원된 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드(FADH2)를 생성함으로써 이를 달성합니다.

마지막으로 연구팀은 아포 단백질 합성을 위해 PURE 시스템으로 알려진 재구성된 무세포 단백질 합성을 이용해 체외에서 단백질 생산이 가능한 특화된 무세포 방식을 채택했다. 유전 물질(DNA 또는 mRNA)과 필요한 에너지원을 추가하면 PURE 시스템은 본질적으로 인공 단백질 공장 역할을 합니다.