의약품과 같은 정밀화학물질은 화학 합성법을 통해 생산되어 왔으나, 이 접근에는 유해물질의 사용 또는 발생, 그리고 경제적 비효율성 문제가 있어, 친환경적인 바이오 촉매를 활용한 대안이 필요하다. 바이오 촉매로 사용되는 단백질 효소는 기질 특이성, 반응 특이성, 입체 특이성을 지니고 있어 복잡한 화학적 합성 과정을 거치는 공정을 대체 또는 단축할 수 있을 뿐 아니라, 상온 상압에서 수용액을 이용한 합성이 가능하다. 따라서 화학적 합성과정에서 생기는 부산물이나 유해 폐기물의 발생률이 낮아, 지속 가능한 녹색 화학의 중요한 대체재로 각광받고 있다.

응용성이 뛰어난 바이오 촉매를 개발하기 위해서는 효소의 특성을 단백질 공학적으로 개선해야 한다. 단백질 공학적인 접근을 통해 새로운 효소를 개발하거나, 효소의 활성을 개선하는 방법으로 (1) 올해 노벨 화학상을 받은 유도된 진화(directed evolution) 방법과 (2) 단백질 구조에 기반한 합리적 설계(rational design) 방법이 있다. 합리적 설계를 위해서는 해당 단백질의 구조와 메커니즘이 필요하기에, 일단 구조 정보를 얻은 경우, 보다 효율적인 접근이 가능하다는 장점이 있다.

 케토프로펜은 비스테로이드성 소염제(NSAID)로 진통 및 해열 작용이 있으며, 주로 골관절염 또는 류마티스 관절염 등에 의해 유발되는 염증 및 통증 완화에 사용된다. 파스나  젤과 같은 외용 진통제의 주요성분으로 많이 사용되고 있다. 케토프로펜은 S형과 R형, 두 종류의 입체 이성질체가 존재하며, S형의 약효가 더 뛰어나다. 미국 식품의약품안전청(FDA)은 이성질체가 존재하는 의약품의 경우 단일형의 생산 방침을 명시하고 있어, S형 케토프로펜이 순도 높게 분리될 것을 요구한다.

 연구팀은 국내 토양에서 추출한 메타게놈 라이브러리로부터 얻은 에스터결합 가수분해효소(에스터레이즈)인 Est-Y29와 S형 케토프로펜이 결합하여 있는 복합체의 삼차원 고해상도 구조를 X선 결정학적인 방법으로 규명히였다. 이로써 효소의 기질 결합 부위에 있는 방향성(aromatic) 아미노산 잔기들과 S형 입체이성질체 케토프로펜 전구체와의 결합이 효소의 기질 선택성과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 효소의 삼차원 구조로부터 밝혀진 정보를 바탕으로 한 효소의 기질 결합 부위의 방향성을 증가시키는 단백질 공학적 연구를 통해, 야생형에 비교하였을 때 S형 케토프로펜에 대한 선택성이 5배 가까이 높은 새로운 효소를 개발하는 데 성공하였다. 본 연구는 합리적 설계방법을 이용하여 성공적으로 단백질의 기능을 증대시킨 주요 사례로 여겨지며 미국화학회 카탈리시스에 2018년 12월 24일 자에 온라인 게재되었다.

 김경규 교수는 “본 연구에서 단백질의 삼차원 구조에 기반한 단백질 공학적 접근을 통해 화학적 촉매를 대체할 수 있는 바이오 촉매를 개발하였고, 이를 통해 케토프로펜같이 유효한 의약품을 친환경적으로 생산할 가능성을 제시하였다”, 라고 연구의 의의를 설명하였다.

(그림1) Est-Y29의 입체 이성질체에 대한 특이성 원리
S형 케토프로펜 에틸 에스터(SKE, 자홍색)은 Est-Y29의 기질 결합 부위에 위치한 방향성 아미노산 (Y123, F125, Y170)과 π-alkyl 결합(분홍색 점선)을 형성한다. 그러나 이러한 결합은 R형 케토프로펜 에틸 에스터(RKE, 파란색)에서는 거의 형성되지 않으므로 S형 기질이 더 특이적으로 Est-Y29에 결합할 수 있다.

(그림2) Est-Y29 F125W에서 S형 케토프로펜 생성 증가
야생형 Est-Y29(그림 좌측 상단)의 125번째 페닐알라닌(F125)을 트립토판(W125)으로 변형한 F125W 변이체(그림 우측 상단)는 구름 모양의 결합부위의 방향성 환경(주황색)을 높인다. 이는 케토프로펜 에틸 에스터 (상단의 좌우 두 그림에 S58과 F125 또는 W125 사이에 위치한 물질) 중 S형의 결합력을 높이므로써 결과적으로 S58에 의한 가수분해과정으로 S형 케토프로판의 생성을 증가시킨다 (그림 하단).