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2023 December Vol.36 No.4 ISSN 1598-8384

실험실 탐방

포항공과대학교 화학공학과
화학생물학 연구실
(Laboratory of Chemical Biology)

연구책임자 : 이준구 교수
소속기관 : 포항공과대학교

Department of Chemical Engineering POSTECH,
77 Cheongam-Ro, Nam-Gu, Pohang, Gyeongbuk, 37673, Republic of Korea
Tel: 054) 279-2269
E-mail: jgoolee@postech.ac.kr
Homepage: https://chb.postech.ac.kr/home

책임교수 소개

[학력]

2015
University of Oxford, Chemical Biology, 박사
2008
한국과학기술원, 화학과, 석사
2006
연세대학교, 화학과, 학사

[경력]

경력 사항
기간	기관명	직위 및 직급
2021.02 – 현재	포항공과대학교 화학공학과	조교수
2016.11 – 2021.01	Northwestern University	박사 후 연구원

실험실 구성원

연구책임자: 이준구
연구교수: 조남진
박사 후 연구원: Ravi Kumar Devarapalli
대학원생: 이강훈, 방서연, 박형우, 진하늘, 김도현, 김형석, 김다영

연구분야 소개

(1) 주요 연구분야

자연계에 존재하는 단백질은 20가지의 천연 아미노산으로 구성되어 있는데, 이러한 한정된 수의 기질만으로는 다양한 기능을 가진 단백질을 합성하는 데 한계가 있다. 반면, 20가지 아미노산 이외의 비천연 기질이 단백질 내에 도입되면 단백질의 다양성을 확장할 수 있을 뿐 아니라 기존의 생화학적 기능이 강화되거나 새로운 기능을 가진 단백질을 생산할 수 있다.
본 연구실에서는 다양한 비천연 기질을 화학적으로 합성하고, 합성된 비천연 기질을 무세포 단백질 발현 시스템을 통해 단백질이나 펩타이드 내로 도입하는 연구를 진행하고 있다. 또한, 비천연 기질을 높은 효율로 도입할 수 있도록 단백질 생산 시스템을 엔지니어링하는 연구도 병행하고 있다. 해당 연구들은 기존 약물의 기능을 향상시키거나 새로운 유효물질을 발굴하는 데 기여할 것으로 기대된다.

(2) 연구주제

• 비천연 기질의 도입이 가능한 세포파쇄액 기반의 무세포 시스템 개발

무세포 시스템은 비천연 기질을 단백질 내에 위치특이적으로 도입할 수 있도록 도와준다. 무세포 시스템에 비천연 기질:tRNA 복합체를 넣어 비천연 기질을 단백질 내로 도입하는 것은 비효율적인데, 그 이유는 바로 세포가 원래 가지고 있는 천연 기질:tRNA 복합체와 새롭게 합성해준 비천연 기질:tRNA 복합체가 특정 코돈 자리를 두고 서로 경쟁을 하기 때문이다. 이러한 경쟁이 일어나면 새롭게 넣어준 비천연 기질보다 천연 기질이 단백질 내로 도입될 확률이 더 높기 때문에 최대한 경쟁을 피해주어야 한다. 이러한 경쟁을 피하기 위해 일반적으로 단백질합성에 꼭 필요한 요소로만 재구성 되어있는 무세포합성시스템을 많이 사용한다. (예, PURExpress^TM, NEB) 그러나, 이러한 재구성 무세포합성시스템은 실제 실험실 수준에서 시스템을 확립하기에 용이하지 않고, 가격이 비싸며, 단백질 합성 수율이 높지 않다는 단점이 있다. 반면, 세포파쇄액 기반의 무세포 시스템을 사용하면 이러한 단점을 보완하여 적은 비용과 짧은 준비 시간 안에 높은 수율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 본 연구실은 비천연 기질의 효율적인 도입이 가능한 세포파쇄액 기반 무세포 시스템을 개발하는 연구를 진행하고 있다.

• 다양한 비천연 기질의 합성

단백질 내 비천연 기질의 도입은 20개의 아미노산을 빌딩으로 이용하여 구성되는 세포내 단백질에 새로운 기능을 부여할 수 있어 효소 및 항체의 생화학적 특성을 변환하는 연구에 많이 이용되고 있다. 활용할 수 있는 비천연 기질의 범위가 확장될 수록 새로운 기능을 가진 단백질을 발굴할 수 있는 확률을 높이기 위하여 본 연구실은 다양한 생화학적, 물리적 특성을 가지고 있는 비천연기질의 개발과 합성을 진행하고 있다.

• 비천연 기질을 효율적으로 도입하기 위한 단백질 생산 시스템 엔지니어링

지구상의 존재하는 모든 세포는 20개의 아미노산을 이용하여 단백질을 합성하도록 진화하였다. 따라서, 무세포 시스템에서 단백질 번역 시스템을 이용하여 비천연 기질을 위치특이적으로 도입하기 위해선 세포가 가지고 있는 기존의 단백질 번역 시스템을 새롭게 가공해야 한다. 본 연구진은 단백질 번역 시스템을 구성하는 리보솜, 아미노아실 tRNA 합성효소 등을 엔지니어링하는 연구를 진행하고 있다.

• 무세포 시스템 기반 비천연 기질의 펩타이드 및 단백질 내 도입

앞서 합성한 비천연 기질과 엔지니어링 한 단백질 번역 시스템을 이용하여 비천연 기질을 단백질이나 펩타이드 내로 도입하는 연구를 진행하고 있다. 최근, 본 연구실에서는 항생제, 진통제, 항염증제 등의 약물에서 약리학적 활성을 갖게하는 구조인 피리다지논(pyridazinone) 결합을 리보솜이 합성할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 후속 연구를 통하여 더욱 많은 약리학적 구조를 리보솜으로 합성하고, 신약을 발굴하는 것을 목표로 하고 있다.

논문

J. Lee^†*, J. N. Coronado†, N. Cho, J. Lim, B. M. Hosford, S. Seo, D. S. Kim, C. Kofman, J. S. Moore, A. D. Ellington, E. V. Anslyn^*, M. C. Jewett^*, Ribosome-mediated biosynthesis of pyridazinone oligomers in vitro, Nat. Commun. 2022, 13, 6322.
J. Lee^†, K. J. Schwarz†, D. S. Kim, J. S. Moore, M. C. Jewett, Ribosome-mediated incorporation of long-carbon chain and cyclic amino acids into peptides in vitro, Nat. Commun. 2020, 11, 4304 (†: equally contributed).
J. Lee^†, K. E. Schwieter†, A. M. Watkins, D. S. Kim, H. Yu, K. J. Schwarz, J. Lim, J. Coronado, M. Byrom, E. V. Anslyn, A. D. Ellington, J. S. Moore, M. C. Jewett, Expanding the limits of the second genetic code with ribozymes, Nat. Commun. 2019, 10, 5097 (†: equally contributed).
J. Lee, A. J. Boersma, M. A. Boudreau, S. Cheley, O. Daltrop, J. Li, H. Tamagaki, H. Bayley, Semisynthetic nanoreactor for reversible single-molecule covalent chemistry. ACS Nano 2016, 10, 8843
J. Lee, H. Bayley, Semisynthetic protein nanoreactor for single-molecule chemistry. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2015, 112, 13768
N. Cho^†, B. Hwang^†, J. Yoon^†, S. Park^†, J. Lee^†, H. N. Seo, J. Lee, S. Huh, J. Chung, D. Bang, De novo assembly and next-generation sequencing to analyse full-length gene variants from codon-barcoded libraries, Nat. Commun. 2015, 6, 8351 (^†: equally contributed).
J. Lee, J. C. Park, H. Song, A nanoreactor framework of Au@SiO2 yolk-shell structure for catalytic reduction of p-nitrophenol. Advanced Materials. 2008, 20, 1523 (Google citation: 875 as of 9/25/2020).