단백질 모듈은 재조합으로 다른 단백질과 조합하고, 자연선택에 의한 진화-가능성을 촉진하는 효과가 있다. 새로운 기능의 생물분자를 창출하기 위해 도메인 사이의 물리적 접촉면의 상호작용을 예측하고, 무작위 조합한 하이브리드 라이브러리에 분자진화원리를 적용하는 기술을 이용한다. 연구에서 세포막간단백질과 신호전달 기구인 histidine kinase의 융합단백질을 개발하고 세포외 신호를 세포내로 보내고 프로그램된 세포기능을 수행하는 맞춤형 미생물을 개발하고 다른 방향의 연구로 ribose-binding protein을 유전자 조작에 의해 새로운 바이오센서 개발하였다.
<h3>이성적 재설계 및 분자진화에 의한 신기능 융합단백질 창출</h3> <p>단백질 모듈은 재조합(recombination)에 의하여 다른 단백질과의 조합이 가능하며, 자연선택에 의한 진화-가능성(evolvability)을 촉진하는 효과가 있다(Fig. 3)[4, 18, 19]. 모 듈성에 기초하여 새로운 기능의 생체분자를 창출하기 위해서는 도메인 사이의 물리적 접촉면에서의 상호작용을 예측하여 최적의 구조를 가지도록 하는 재설계기술과, 무작위 조합한 하이브리드 라이브러리에 분자진화원리를 적용하는 기술이 보완적으로 이용된다(Fig. 4). 도메인사이 접촉면의 설계에는 단백질구조의 예측 및 리간드 결합에 따른 구조변화 등 복잡한 계산을 요하며, 최근 두 미생물에서 유래하는 동일기능 효소(dihydrofolate reductase)의 하이브리드를 만드는 연구에서 개별 아미노산간 충돌을 예측하고, 이를 최소화하는 설계기법이 보고된 바 있다[34]. 또한 두 homing endonuclease의 접촉면을 설계하여 하나의 효소로 만들어서 자연에서는 기대할 수 없었던 고도의 정밀성을 보유하는 새로운 제한효소가 개발된 바 있다[8]. 이러한 도메인 조합기술에 있어서도 선택-진화의 원리를 적용하는 실험적 접근방법은 이론적 예측기술과 융합되어 다양한 특성의 복합단백질을 획득하는 기술로. 발전하고 있다[24]. 최근 단백질공학기술을 적용함으로써 인공적인 수용체-전사조절인자를 개발하고 미생물 세포신호 전달경로를 재구성한 연구가 보고되었다[14,28]. 이 연구는 세포막간단백질 (periplasmic protein)과 신호전달 기구인 histidine kinase의 융합단백질을 개발한 것으로, 세포외 신호를 세포내로 전달하고 프로그램된 세포기능을 수행하는 맞춤형 미생물을 개발한 것이다. 한편 orthogonal ligand와 orthogonal protein을 design함으로써 여러 가지 세포신호전달에 관여하는 단백질의 기능을 \( i n \) \( v i v o \)에서 연구할 수 있는 기술도 개발되었다[5]. 이는 리보솜에 결합하는 elongation factor의 하나인 \( \mathrm { EF } - \mathrm { Tu } \) 에서 GDP 결합부위를 XDP에 결합하도록 단백질공학기술을 적용하고, 방사성 표지된 XTP를 기질로 사용하여 \( i n \) \( v i v o \) 인 조건에서 세포대사를 분석하는 것이었다. 이 방법은 복잡한 생채반응이 존재하는 세포내 소건에서 특정 세포기능만을 독립적으로 관찰할 수 있어서 생명기능의 규명 뿐만 아니라 의약물질의 탐색 등에 유용성이 기대되고 있다. 이외에도 UC Berkeley에서는 외래 유전자들을 대장균에 도입한 후 대사공학기술을 이용하여 대사경로를 최적화함으로써 합성이 어렵고 가격이 비싼 말라리아 치료제인 artemisinin을 다량으로 생산하는 대장균을 만드는데 성공하였으며, 이 합성경로가 terpene 생합성 경로를 기초해서 만들어졌기 때문에 이 경로를 약간 변형함으로써 또 다른 유용한 terpenoid 물질인 항암제 택솔을 생산할 수 있을 것으로 기대하고 있다[7]. 리포터단백질을 적절한 위치에서 분할하여 제조한 split protein을 모듈로 이용하여 세포내 단백질의 상호작용을 감지하는 PCA(protein fragment complementation assay)기술도 개발되었다. 이 기술에 대해서는 의약산업체의 관심이 매우 높아서 특허기술이 급속하게 증가되고 있는 분야이고, dihydrofolate reductase(DHFR), 형광단백질, beta-lactamase 등 활성검출이 용이한 단백질이 이용된다. 즉, 각 단백질을 이분하여 단편을 상호작용이 예상되는 타겟 단백질에 결합시키고, 각 상호작용 단백질 사이에 결합이 나타나는 경우 이분된 DHFR 단편의 근접에 의한 접힘 및 활성회복을 유도하게 되는 원리를 이용하는 것이다[31]. 또 다른 방향의 연구로 ribose-binding protein을 유전자 조작에 의해 TNT와 같은 환경유해물질들과 결합할 수 있는 단백질로 재구성한 형태의 새로운 바이오센서 개발이 있었으며[28], maltose의 결합으로 구조변화를 수반하는 maltose-binding protein(MBP)의 특정부위에 \( \beta \)-lactamase를 삽입한 융합단백질의 구조적 연동을 기반으로, maltose 결합부위에 sucrose가 결합할 수 있는 새로운 결합단백질의 재설계도 성공한 예가 있다[21].</p>