텍사스 A&M, 단백질 π–π 쌓임 상호작용 직접 정량화하는 레이저 분광 플랫폼 개발

TRIP 플랫폼의 작동 원리

양자과학·공학연구소(IQSE)와 화학·생물학·전기컴퓨터공학과로 구성된 텍사스 A&M 대학교 학제간 연구팀은 Thermostable Raman Interaction Profiling, 줄여서 TRIP으로 명명된 광학 플랫폼을 개발했다. 작동 방식은 고해상도 라만 분광법에 기반한다. 단백질 용액에 정밀 레이저를 조사하면 특정 화학 결합에서 미세 진동이 유발되고, 산란된 빛의 주파수 변화가 기록된다.

연구팀이 핵심 분광 지표로 확인한 것은 방향족 아미노산 페닐알라닌에 고유한 벤젠 고리 호흡(Benzene Ring Breathing, BRB) 진동 모드다. 고리 형태 분자들이 평행·T자형·오프셋 배열로 근접하면 비편재화된 전자 구름이 맞물리면서 고리 내부 진동 주파수가 미세하게 변화한다. TRIP은 이 서브-피코미터 수준의 주파수 이동, 선폭 확장, 세기 변화를 포착해 양자 수준의 결합력을 정량적 신호로 변환한다.

기존 분석 수단과의 차별점

X선 결정학은 결정 격자라는 정적 상태에서만 원자 수준 데이터를 얻을 수 있다. 극저온 전자현미경은 급속 동결 시료를 필요로 하며, 형광·자외선 분광법은 분자 고유 기하 구조를 변형시킬 수 있는 표지자에 의존한다. TRIP은 어떠한 표지자도 사용하지 않고 근생리적 수용액 환경에서 실시간으로 측정한다는 점에서 이 세 가지 한계를 동시에 극복한다.

다만 현재 연구는 단일 단백질 계면에 집중된 개념 증명 단계이며, 다양한 단백질 복합체와 용액 조건에서의 일반화 가능성은 추가 검증이 요구된다.

SARS-CoV-2 Mpro로 플랫폼 검증

주연구자 Narangerel Altangerel 박사와 공동 저자 Philip Hemmer 박사는 검증 모델로 SARS-CoV-2 주요 단백질 분해효소 Mpro를 선택했다. Mpro는 두 단량체가 이합체를 형성해야만 촉매 기능을 발휘하며, 해당 계면은 페닐알라닌-140(Phe140), 히스티딘-163(His163), 히스티딘-172(His172)의 방향족 삼중체에 의해 안정화된다.

연구팀은 TRIP 측정 결과를 슈퍼컴퓨터에서 수행한 밀도 함수 이론(DFT) 양자역학 시뮬레이션과 교차 검증했다. 두 데이터는 방향족 고리 쌓임 특유의 국소 전자 밀도 재배열과 진동 결합 패턴에서 일치했다. 더 나아가 Phe140의 방향족 고리를 제거한 F140L 돌연변이체를 시뮬레이션하자 BRB 신호 변화가 완전히 사라져, 해당 신호가 π–π 쌓임 역학을 특이적으로 추적함이 확인됐다.

신약 효능 예측과 선형 상관관계

플랫폼은 항바이러스 화합물 배열에 노출된 Mpro를 실시간 모니터링하는 방식으로 약물 발굴에 직접 적용됐다. 고효능 억제제인 MPI8과 니르마트렐비르(nirmatrelvir)는 BRB 스펙트럼에서 가장 큰 이동과 신호 확장을 나타내며 이합체 안정화를 입증했다. 반면 저효능 화합물인 할리신(halicin)과 VB-B-145는 π 결합 변화를 유발하지 못해 분광 신호가 미미했다.

이 진동 이동 크기는 공개된 IC50 수치 및 A549-ACE2 세포주 기반 항바이러스 효능과 선형 상관관계를 보였다. 연구팀은 이 기술이 감염병뿐 아니라 종양학과 신경퇴행성 질환 치료제 설계에도 적용 가능하다고 밝혔다.