DGIST 장윤희 교수, 슈퍼컴 이용해 단백질에 의해 조절되는 DNA 뭉침‧풀림 현상 '분자수준에서 관찰'

mRNA 백신, 생체 모사 에너지 전환 등 관련 연구의 기초 마련

슈퍼컴퓨터를 활용해 단백질에 의해 조절되는 DNA 뭉침‧풀림 현상을 분자 수준에서 관찰한 DGIST 에너지공학전공 장윤희 교수, 프랑스 투르대 Yves Lansac 교수, DGIST 투르대 공동박사과정생 Ambroise de lzarra(좌측부터). [사진=대구경북과학기술원 제공]

DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 장윤희 교수‧프랑스 투르대 이브란삭 교수(DGIST 겸직교수) 공동연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 단백질에 의해 조절되는 DNA 뭉침‧풀림 현상을 분자 수준에서 관찰했다고 31일 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 통해 수행됐으며, DGIST와 프랑스 투르대학 간에 도입한 국제공동박사학위제의 성과다. 연구 결과는 나노 분야의 저명 학술지 ‘ACS Nano’에 8월 24일 정식 출판됐다.

이러한 가상실험은 기존 실험 연구의 대안으로 생체 내 여러 현상을 원천적으로 이해하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

이는 생체 유전 정보를 담고 있는 DNA는 음전하를 띠고 있어 서로 밀어내는 힘이 강함에도 불구하고 강하게 뭉쳐 세포핵 내 작은 공간에 자리한다.

게다가 생식세포 내에서는 프로타민(protamine)이라는 작은 단백질에 의해 더욱 강하게 뭉쳐, 유전 정보를 안전하게 보호하고 원활하게 전달한 후 다시 풀어진다.

하지만 생명의 근원에 해당하는 이 신비로운 현상을 실제 실험을 통해 분자 수준에서 관측하기는 어려웠다.

이에 장윤희 교수‧이브란삭 교수 공동연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용한 대규모 분자동력학 가상실험을 수행하여 프로타민 단백질에 의해 조절되는 DNA 뭉침‧풀림 현상을 분자 수준에서 관측했다.
 

양전하를 띠는 염기성 단백질인 프로타민의 농도에 의해 음전하를 띠는 DNA의 뭉침과 풀림이 가역적으로 조절됨을 분자 수준 대규모 분자동력학 모사로 규명했다. [사진=대구경북과학기술원 제공]

그 결과 양전하를 띠는 염기성 단백질인 프로타민과 음전하를 띠는 DNA 사이의 상대적 농도에 따라 DNA의 뭉침과 풀림이 가역적(可逆的)으로 조절된다는 것을 발견했다.
 

양전하를 띠는 염기성 단백질인 프로타민(protamine; 빨강)의 농도를 점점 높이면 음전하를 띠는 DNA(파랑)와의 상대적 농도 (R+/-) 상승에 따라 DNA의 응축과 해리가 가역적으로 조절됨을, 단순한 모델의 분자 수준 대규모 분자동력학 모사 통해 보임으로써, 복잡한 생명 현상의 근원에서 정전기적 상호작용이 지배적으로 작용함을 확인했다.[사진=대구경북과학기술원 제공]

이는 아무리 복잡한 생명 현상이라도 그 근원에는 정전기적 상호작용이 지배적으로 작용함을 확인한 것이다. 이를 확장해 자기복제, 유전 등의 근원적 생명 현상을 원천적으로 이해하는데 이바지할 것으로 기대된다.

DGIST 에너지공학전공 장윤희 교수는 “단백질과 DNA/RNA의 응축물 형성이 수많은 생리 기능을 조절한다는 증거가 속속 나오고 있어, 향후 관련 연구를 수행하는데 이번 연구의 결과와 방법을 활용될 가능성이 클 것으로 기대된다”라고 말했다.

이어 “프로타민은 DNA 응축뿐 아니라 RNA 자기조립에서도 가역적 접착제 역할을 하는 분자이므로, 이번 연구를 확장해 mRNA 백신 개발 및 생체 모사 에너지 전환 기술개발에도 기여하고 싶다”라는 포부를 밝혔다.