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2019 November Vol.32 No.6 ISSN 1598-8384

자유기고

김학준
얼음 결합 단백질의 연구 동향 및 활용

부경대학교 화학과
김학준 교수 E-mail : kimhj@pknu.ac.kr

시작말

얼음 결합 단백질(ice-binding protein)은 문자 그대로 얼음에 결합하는 단백질 군을 통칭하는 용어이다. 얼음에 직접 결합하여 얼음의 성장을 저해하는 특성을 가지고 있는데 남•북극 물고기들의 부동 단백질(antifreeze protein)이 대표적인 얼음 결합 단백질이다. 그 외 얼음 핵을 유도하는 얼음핵화 단백질(ice-nucleating protein), 얼음 재결정화 억제 단백질 등이 포함된다. 제일 처음 발견된 얼음 결합 단백질이 물고기 부동 단백질이어서 부동 단백질로 널리 알려져 있기도 하다. 부동 단백질은 얼음 결합 단백질의 일원이지만 아직까지 관습적으로 얼음 결합 단백질을 부동 단백질로 오용하고 있기도 하다. 최초로 알려진 얼음 결합 단백질인 물고기 부동 단백질은 1950년대 후반부터 연구되기 시작하였다. 캐나다 과학자 P. F. Scholander 박사는 북극 대구가 얼음보다 차가운 영하 1.9℃의 북극 바닷물에서 어떻게 동사하지 않고 생존하는지에 대한 질문을 하는 것에서부터 연구가 시작되었다. 일반적으로 어류의 혈액은 영하 0.7℃에서 얼지만, 북극 대구는 얼지 않았던 것이다. Scholander 박사는 자동차의 부동액처럼 얼지 않게 하는 "부동(不凍)" 성분이 들어 있을 것이라고 추측했다1. 1960년 후반 부동 성분은 물고기 혈액 내에 존재하는 단백질이라는 것이 당시 대학원생이었던 Arthur DeVries에 의해 밝혀졌다. DeVries 박사는 남극 물고기의 혈액에서 처음으로 부동 단백질로 분리해 내었던 것이다2. 흥미로운 것은 이와 유사한 기능의 단백질이 물고기뿐 아니라 미생물, 식물, 곤충 등 다양한 호냉성 생물에서 발견되고 있다는 점이다3. 본 기고에서는 얼음 결합 단백질의 특성과 활용 연구의 동향을 나누고자 한다.

얼음 결합 단백질의 특성: 온도 이력(Thermal hysteresis)과 얼음 재결정화 억제

얼음 결합단백질은 크게 온도 이력(thermal hysteresis)과 얼음 재결정화 억제 특성을 가지고 있다. 두 특성 모두 단백질이 얼음에 결합하여 얼음 결정의 성장을 저해함으로써 나타나는 특성이다. 얼음 결합단백질은 얼음결정 표면의 물 분자와 수소결합 및 소수성 상호작용을 통해 더 이상 액체 상태의 물 분자들이 얼음 표면의 물 분자와 결합하지 못하게 함으로써 얼음의 성장을 막는 것이다.
온도 이력은 용액의 녹는점과 어는점의 차이를 말한다. 일반적인 용액의 녹는점과 어는점은 같지만 얼음 결합 단백질을 포함한 용액의 경우 녹는점과 어는점은 같지 않고 차이가 생기게 된다(그림 1). 이런 온도 이력은 얼음핵에 얼음 결합 단백질이 비가역적으로 결합하여 온도가 비평형 어는점(nonequilibrium freezing point)에 도달할 때까지 얼음의 성장을 억제함으로써 발생한다4. 비평형 어는점 아래로 온도를 내리면 얼음 결정의 급격한 성장을 관찰할 수 있다. 온도 이력 특성은 얼음 결합 단백질의 활성을 정량적으로 설명하는 데 사용된다. 얼음 결합 단백질의 종류에 따라 어는점을 0.2~4℃ 가량 내릴 수 있게 되는데, 영하 1.9℃의 남극과 북극 바다에 서식하는 물고기는 중온성 물고기의 혈장 (0.7℃ 내림) 성분에 약 1℃ 남짓 어는점을 내릴 수 있는 부동 단백질을 혈액 내에 포함하고 있어 동사하지 않고 생존할 수 있다. 따라서 서식처의 온도에 따라 생물들이 가지고 있는 얼음 결합 단백질의 온도 이력 특성은 다르다. 혹한의 환경에서 겨울을 나는 곤충의 경우 가장 큰 온도 이력 특성을 가진 얼음 결합 단백질을 가지고 있다. 온도 이력 특성의 차이는 얼음 결합 단백질의 종류에 따라 결합하는 얼음 결정의 면이 다르기 때문에 생기는 것으로 규명되었다(그림 2). 중간 정도의 온도 이력을 가진 얼음 결합 단백질은 얼음 결정의 프리즘 및/또는 피라미드면에 결합하는 반면, 높은 온도 이력을 가진 얼음 결합 단백질은 얼음 결정의 기저면에 결합하는 경향이 높은 것으로 알려져 있다4. 얼음 결합 단백질의 결합 특성이 다르므로 온도 이력 구간에서 각각의 얼음 결합 단백질은 독특한 얼음 결정의 모양을 형성하게 된다. 예를 들어, 물고기의 I형 부동 단백질은 얼음 결정의 프리즘면에 결합하여 육각형 피라미드 모양을 생성하는데5 반해 남극 해빙 Flavobacterium sp. 에서 분리한 얼음 결합 단백질은 프리즘과 기저면에 결합하여 레몬 모양을 형성한다6.

얼음 결합 단백질의 온도 이력 특성
(그림 1) 얼음 결합 단백질의 온도 이력 특성


얼음 결합 단백질의 두 번째 특성은 얼음 재결정화 억제이다. 얼음 재결정화는 높은 내부 에너지를 가진 작은 얼음 입자들이 뭉쳐서 더 큰 얼음 입자를 형성하는 과정으로 열역학적으로 유리한 과정이다4. 보통 얼음을 냉동고에 장기간 보관할 경우, 얼음은 미세한 온도 변화에도 예민하게 반응한다. 즉 작은 얼음들이 자발적으로 서로 모여 커다란 얼음을 형성하려는 과정이 관찰된다. 이런 일련의 변화를 얼음 재결정화라 한다(그림 3). 이런 현상은 우리가 냉장고에 보관했던 식품들의 고유한 맛을 잃게 하는 요인 중 하나이다. 만약 이 현상이 극저온 지역이나 추운 지역에 서식하는 생물에서 일어난다면 세포에 치명적인 손상을 입힐 것이기 때문에 생물이 생존에 위협을 받게 되기 쉽다. 다행히도 호냉성 생물의 얼음 결합 단백질은 매우 낮은 농도에서 얼음 재결정화를 억제 할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 얼음 결합 단백질의 얼음 재결정화 억제 기작은 명확하게 설명하지 못하지만 온도 이력 특성과 마찬가지로 얼음 결합 단백질과 얼음의 결합에 기인한다고 생각된다4. 얼음 결정의 경계 사이의 경계면에 부착된 얼음 결합 단백질은 얼음 입자들이 커지는 것을 억제한다고 알려져 있다8. 얼음 재결정화 억제 특성은 내한성이 강한 생물이 극한의 추운 환경에서도 생존하는데 필수적인 특성일 가능성이 높다. 얼음 결합 단백질이 결국 얼음 재결정화에 의한 세포 손상을 막아 줌으로써 생체막과 세포를 보호하는 것으로 생각된다8.

위- 얼음 결정의 구조
(그림 2) 위- 얼음 결정의 구조 아래-얼음 결합 단백질이 결합하는 얼음 결정의 면과 결과적으로 형성되는 얼음 결정의 모양7


얼음 재결정화 과정
(그림 3) 얼음 재결정화 과정 (위) 얼음 결합 단백질 무첨가 용액의 동결 후 해동 과정 (아래) 얼음 결합 단백질 첨가 용액의 동결 후 해동 과정7

얼음 결합 단백질의 종류와 구조

현재까지 가장 많이 연구된 얼음 결합 단백질은 물고기의 부동 단백질이다. 1970년대 이후, 얼음 결합 단백질 연구는 캐나다와 미국이 주도하였다9. 캐나다 연안의 북극 대구, 겨울 넙치, 둑중개, 등가시치, 꺽정이류와 남극 물고기를 대상으로 부동 단백질의 연구를 수행한 결과, 물고기는 총 4 종의 부동 단백질을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 동일한 기능을 하는 단백질은 대부분 동일한 구조를 하고 있을 가능성이 매우 높다. 부동 단백질 (사실 다른 얼음 결합 단백질도 포함된다)에서 흥미로운 것은 4종의 단백질이 서로 다른 3차원 구조를 하지만 동일한 기능을 한다는 점이다. 하지만 구조를 면밀히 살펴보면 얼음 결합 부위의 구조는 동일한 특성인 평평한 면을 형성한다는 점이다(그림 4).

(그림 4) 물고기와 부동 단백질
(그림 4) 물고기와 부동 단백질7

특성 부동당단백질 부동당단백질 II 형 부동 단백질 III 형 부동 단백질
분자량(Da) 2,600 - 33,000 3,300 - 4,500 11,000 - 24,000 6,500
당화 여부
이차구조 expanded 알파 나선구조 베타 판형구조 베타 샌드위치형
유전자 복제수 NA 80 - 100 15 30 -150
유래 남극 경골어류

북극 겨울 넙치 작은뿔 꺽정이

둑중개 (삼세기)

등가시치
(표 1) 물고기 부동 단백질의 분류와 일반적인 특성

물고기 외에, 글쓴이를 포함한 국내 연구진에 의해 북극 효모와 남극 해빙 박테리아에서 얼음 결합 단백질이 발견했다. 북극 효모인 Glaciozyma sp. 에서 분리한 얼음 결합 단백질은 노르웨이 스발바르 군도의 Ny-Ålesund 근처의 다산과학기지 인근 담수 연못의 얼음 시료에서도 분리되었다9. 효모의 얼음 결합 단백질은 right handed β- 나선 구조를 하고 있는데, 이는 얼음 결합에 유리한 넓은 상호 작용 표면을 제공하는 것으로 실험 결과 밝혀졌다(그림 5) 11. 남극 해빙에서 규조류와 공생하는 박테리아인 F. frigoris에서 얼음 결합 단백질을 발견했다. 흥미롭게도 이 단백질은 효모 단백질과 56 % 서열 유사도를 보였지만 효모 단백질의 온도 이력 활성보다 최대 10배 높은 활성을 보였다. 해빙 박테리아의 얼음 결합 단백질의 구조 규명을 통해 이런 활성의 차이를 설명할 수 있게 되었다. 이 단백질은 효모 단백질보다 얼음 결합 면에 규칙적인 모티프(T-A/ G-X-T/ N 모티프)와 더 규칙적으로 정렬된 얼음 결합 잔기들로 구성된 모티프가 위치하고 있기 때문에 해빙의 단백질이 더 높은 활성을 보이는 것으로 여겨진다6.

다양한 생물 유래의 얼음 결합 단백질
(그림 5) 다양한 생물 유래의 얼음 결합 단백질

얼음 결합 단백질의 활용 연구

얼음 결합 단백질의 독특한 기능을 적용할 수 있는 분야는 폭이 넓다(그림 6). 식품 보존 분야, 화장품 원료, 의료, 농수산업 분야에 활용 가능성이 크다. 식품 첨가제로서의 얼음 결합 단백질에 대한 연구는 1992년부터 수행되어 왔는데 식품산업에서 얼음 결합 단백질이 활용될 가능성이 높은 식품은 아이스크림이고 실제 활용이 된 적이 있다. 얼음 결합 단백질을 소프트 아이스크림 첨가제로 사용할 경우 장점은 지방 함량을 줄이면서 아이스크림의 조직감을 유지할 수 있다. 아이스크림 분야에 적용된 사례는 2007년 Unilever company의 제품이다. 이 회사는 등가시치 유래 얼음 결합 단백질을 유전자 재조합 기술로 효모에서 대량생산하여 아이스크림 첨가제로 활용하고 있다. 또 냉동육과 같은 냉동식품에 얼음 결합 단백질을 첨가하여 유통할 경우 얼음 재결정화를 억제해 줄 수 있기 때문에 육질이나 식품의 상태를 잘 보존해 줄 수 있다는 장점이 있다. 북극 효모의 얼음 결합 단백질을 한우에 첨가하여 동결보존한 결과 산패를 억제하였다12.

얼음 결합 단백질의 활용 분야
(그림 6) 얼음 결합 단백질의 활용 분야12

얼음 결합 단백질의 활용이 가장 많이 연구 되는 분야는 세포 동결보존 분야이다3. 가장 흔한 동결보호제는 글리세롤과 DMSO(dimethylsulfoxide)이다. 이들을 동결보호제로 사용할 경우 해동후 세포 생존률이 그다지 높지 않은 경우가 있는데 얼음 재결정화가 가장 큰 이유 중에 하나라고 여겨진다. 하지만 이런 동결보호제는 얼음 재결정화를 막지 못한다는 단점이 있다. 반면 얼음 결합 단백질은 얼음 재결정화를 억제하는 특성이 높다. 따라서 얼음 결합 단백질은 화학 동결보호제를 대체 또는 부분적으로 보완할 수 있다. 얼음 결합 단백질의 또 다른 장점은 천연물질로 독성이 거의 없다는 점이다. 북극효모의 얼음 결합 단백질은 동물실험 결과 세포독성이 거의 없는 것으로 밝혀졌다14. 이런 특성 때문에 얼음 결합 단백질을 세포 동결보존에 활용한 사례는 상당히 많다. 예를 들어, 쥐, 소, 돼지의 난자, 돼지의 배아, 적혈구, 굴의 난자, 잉어, 돼지, 양 등의 정자, 어류의 수정란, 췌장 세포 등이 일부 예다. 최근 서울대 연구팀은 북극 효모와 남극 박테리아의 얼음 결합 단백질의 냉동보존의 효과를 실험하였다. 얼음 결합 단백질을 포함한 동결보호액으로 처리한 쥐의 난소의 경우 해동 후 난소의 질과 배아의 발달이 대조구에 비해 훨씬 더 증가하는 것으로 나타났다14. 최근 들어 국내 뿐아니라 캐나다의 Davies그룹, 이스라엘의 Braslavsky 그룹, 일본 Sakae 그룹들도 동결보존에 얼음 결합 단백질을 활용하는 연구를 추가할 만큼 얼음 결합 단백질의 활용 가능성은 상당히 높다 하겠다.

맺음말

얼음 결합 단백질은 얼음이라고 하는 독특한 리간드를 가진 단백질로 단백질의 구조와 기능이라는 측면에서 매우 흥미로운 단백질이다. 물고기에서 시작되어 현재는 매우 다양한 호냉성 생물에서 발견되고 있으며 차세대 유전체 염기서열 분석으로 얼음 결합 단백질의 유전 정보는 기하급수적으로 알려지고 있다. 얼음 결합 단백질의 구조와 기능에 집중되었던 연구가 현재 다양한 분야의 응용 연구로 더 확대되고 있다. 특히 고부가가치의 생명자원의 냉동보존 분야에 활용될 가능성은 매우 크다고 할 수 있다.

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