단백질 상호작용 연구는 현대 생명 과학 및 약물 개발에서 필수적인 역할을 합니다.
질병의 대부분은 단백질 간의 상호작용 오류로 인해 발생합니다. 이를 이해하지 못하면 질병의 근본 원인에 접근할 수 없습니다.
많은 질병에서 정상적인 단백질 상호작용이 방해받거나 비정상적인 상호작용이 형성됩니다.
이는 단순한 증상 치료에 그치지 않고 근본적인 해결책을 요구합니다.
따라서 PPI 연구는 질병의 분자 메커니즘을 이해하고, 혁신적인 치료제를 개발하는 데 필수적인 기초가 됩니다.
1.1 질병의 근본 메커니즘 파악 실패: 대부분의 질병은 단백질 간 상호작용 오류에서 발생합니다.
단백질-단백질 상호작용 (Protein-Protein Interaction, PPI) 연구 없이는 질병의 근본 원인을 정확히 이해할 수 없어 표면적 증상만 치료하는 약물에 머물게 됩니다.
1.1.1 세포 기능의 기본 단위: 대부분의 생물학적 과정은 단백질이 서로 상호작용하는 복잡한 네트워크를 통해 이루어집니다.
단백질은 독립적으로 기능하는 것이 아니라, 다른 단백질들과 물리적으로 결합하거나 신호를 주고받으며 작용합니다.
1.1.2 질병 발생 메커니즘
많은 질병은 정상적인 단백질 상호작용이 방해받거나 비정상적인 상호작용이 형성될 때 발생합니다.
예를 들어:
- 암: 종양 억제 단백질과 세포 성장 조절 단백질 간의 상호작용 장애
- 신경퇴행성 질환: 비정상적인 단백질 응집과 상호작용
- 자가면역 질환: 면역 단백질 간의 비정상적 상호작용
- 감염성 질환: 병원체 단백질과 숙주 단백질 간의 상호작용
1.1.3 분자 수준의 질병 이해
PPI 연구를 통해 질병 상태에서 어떤 단백질 상호작용이 손상되었는지, 또는 어떤 비정상적 상호작용이 생겼는지 파악할 수 있습니다. 이는 단순히 증상을 관찰하는 것보다 훨씬 깊은 수준의 이해를 제공합니다.
1.1.4 원인 vs. 증상: PPI에 대한 이해 없이는 질병의 증상만 관찰하게 되어, 근본 원인이 아닌 증상을 완화하는 약물만 개발하게 됩니다. 이는 마치 발열을 낮추는 약을 제공하는 것과 같이 일시적인 완화만 가능하게 합니다.
1.1.5 분자 경로 추적: PPI 연구를 통해 질병 발생의 전체 분자 경로를 추적할 수 있습니다. 그래서 어느 지점에서 개입하는 것이 가장 효과적인지 파악할 수 있습니다.
예를 들어:
- 암 연구에서 P53 종양 억제 단백질과 MDM2 단백질 간의 상호작용 연구는 암세포가 어떻게 세포 사멸을 회피하는지 이해하게 해주었고,
- 이 상호작용을 차단하는 약물(Nutlins)이 개발되어 암 치료에 사용되고 있습니다.
- 이러한 접근법은 단순히 암세포의 빠른 증식이라는 증상만 표적으로 하는 것이 아니라, 문제의 근원을 해결하는 접근법입니다.
1.2 약물 표적 발굴의 한계
단백질 상호작용 네트워크는 새로운 치료 표적을 발견하는 보물지도와 같습니다. 이 네트워크에 대한 이해 없이는 기존 약물이 이미 공략하는 제한된 표적에만 의존해야 합니다.
1.3 정밀 의학의 붕괴
특정 단백질 상호작용만 선택적으로 조절할 수 있는 능력 없이는, 광범위한 효과를 가진 비특이적 약물에 의존할 수밖에 없습니다. 이로인해 심각한 부작용과 제한된 효능이 불가피합니다.
1.4 약물 저항성 문제 해결 불가
단백질 상호작용 경로에 대한 이해 없이는 암세포나 병원체가 약물에 저항성을 갖게 되는 대체 경로를 예측하고 차단할 수 없습니다
1.5 복합질환 치료의 실패
당뇨병, 심혈관 질환, 알츠하이머병 같은 복합질환은 여러 단백질 네트워크의 교란에서 발생합니다. PPI 연구가 없다면 이러한 복잡한 상호작용을 이해하고 효과적으로 개입할 수 없습니다.
1.6 약물 시너지 기회 상실
서로 다른 약물이 단백질 네트워크에 미치는 복합적 영향을 이해하지 못하면, 약물 조합을 통한 시너지 효과를 활용할 수 없습니다.
1.7 생물학적 약물 개발의 정체
항체 치료제와 같은 생물학적 약물은 특정 단백질 상호작용을 표적으로 합니다. 이러한 상호작용에 대한 깊은 이해 없이는 차세대 생물학적 치료제 개발이 불가능합니다.
결론적으로, PPI 연구는 단순한 연구 도구가 아니라 현대 신약 개발의 필수 기반이며, 이 연구 없이는 진정한 혁신적 치료제 개발이 근본적으로 불가능합니다
1.6 약물 시너지 기회 상실
서로 다른 약물이 단백질 네트워크에 미치는 복합적 영향을 이해하지 못하면, 약물 조합을 통한 시너지 효과를 활용할 수 없습니다.
1.7 생물학적 약물 개발의 정체
항체 치료제와 같은 생물학적 약물은 특정 단백질 상호작용을 표적으로 합니다. 이러한 상호작용에 대한 깊은 이해 없이는 차세대 생물학적 치료제 개발이 불가능합니다.
결론적으로, PPI 연구는 단순한 연구 도구가 아니라 현대 신약 개발의 필수 기반이며, 이 연구 없이는 진정한 혁신적 치료제 개발이 근본적으로 불가능합니다
생체물간 상호작용 실시간 모니터링 방법
1.1 BLI (Bio-Layer Interferometry)
- 바이오센서에 분자가 결합 또는 해리되는 반응으로 생기는 간섭패턴을 통해 분자 상호작용을 실시간으로 모니터링
- 백색광을 이용하여 센서 표면의 두 층 간 반사 패턴 차이를 측정
- 고속탐색이 가능하며, 2 ~16채널 동시 분석 가능
- 단백질 배양액 정량 분석, 분자 간 결합력 분석 등에 활용
1.2 SPR (Surface Plasmon Resonance)
- 광학 기반의 레이블이 없는 탐지 기술로, 두 개 이상 분자의 결합 상호작용을 실시간으로 모니터링
- 내부 전반사를 이용하여 센서 표면의 굴절률 변화를 측정
- 친화성, 동역학, 열역학과 같은 생물물리학 데이터를 제공
두 기술 모두 분자간 결합특성을 실시간으로 모니터링할 수 있고 레이블이 필요 없는 장점이 있습니다.
BLI는 간섭패턴을 이용하고, SPR은 굴절률 변화를 이용하여 분자 간 상호작용을 측정합니다.
두 기술은 바이오 의약품 개발, 항체-항원 상호작용 연구, 단백질 특성화 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
LigandTracer®를 이용한 생체물질간 상호작용 모니터링
특징
- 형광 표지된 리간드 사용 (LigandTracer Green 모델)
- 생체물질간 결합특성 모니터링
- 살아있는 세포 표면의 타겟과 리간드 간 결합 및 해리 과정을 실시간으로 관찰
- 결합 속도(ka), 해리 속도(kd), 결합력(KD)을 측정 및 계산
- MultiDish 2×2를 사용하여 두 개의 개별 실험을 동시에 진행 가능”
LigandTracer를 이용한 단백질간 상호작용 분석 사례
1.1 Transferrin 수용체(TfR)와의 결합
- His-tagged transferrin receptor (TfR)를 magentic bead에 고정
- ATTO633를 라벨링한 anti-TfR 항체와의 상호작용을 모니터링
- 상호작용 결합 친화도 (binding affinity)가 0.27 nM로 계산되면, 비특이적 결합이 발생하지 않았음
1.2 단백질 A와의 상호작용
- ATTO633 라벨이 붙은 Trastuzumab을 단백질을 magnetic bead에 결합시킴
- 다양한 조건에서의 해리 과정을 모니터링
- pH 2.8의 글리신 버퍼를 사용한 경우, 2분 내에 55%의 항체가 해리되는 것을 확인할 수 있었음
결론
결론적으로, 생체물질간 상호작용 연구는 신약 개발의 핵심입니다.
PPI에 대한 깊은 이해 없이는 질병의 근본 원인을 파악하고, 효과적인 치료 표적을 발굴하는 데 한계가 있습니다.
또한, 복합질환이나 약물 저항성 문제를 해결하기 위한 전략도 마련할 수 없습니다.
따라서 PPI 연구는 단순한 연구 도구가 아니라, 현대 의학의 혁신을 이끌어낼 필수적인 요소임을 강조할 수 있습니다.
혁신적인 치료제 개발을 위해서는 이러한 연구가 반드시 선행되어야 합니다.