N-말단 IDR의 제거로 인해 부분적으로 강화된 수화(hydration) 활성은, 이 영역이 기질의 확산을 방해하는 동적 엔트로피 장벽으로 작용함을 시사한다. RvCA5는 표면에 노출된 다수의 반응성 시스테인 잔기를 가지며, 이는 산화환원 감지(redox-sensing)를 하는 인간 CA3와 유사하다. 특히 예측된 핵 위치 신호에 부합하듯, 실리코(in silico) 모델링에서는 RvCA5가 C-말단 IDR 인근의 양전하 패치(positive charged patch)를 통해 DNA에 결합할 수 있음을 예측하였다. RvCA5의 DNA 결합 능력은 전기영동 이동도 이동 분석(electrophoretic mobility shift assays)으로 실험적으로 입증되었다. 종합하면, 이러한 결과는 RvCA5가 산화환원에 반응하는 전사 조절인자로 잠재적으로 기능할 수 있음을 시사한다.

)는 효소 고정화(immobilization)를 위한 대표적인 지지 재료로서 중요한 역할을 한다. 최근의 발전은 다양한 실리카 결합 단백질(silica-binding proteins, SBPs)과 실리카 형성 단백질(silica-forming proteins, SFPs)의 개발로 이어졌으며, 이는 규소(siliceous) 재료 위에 효소를 빠르고 간단한 방식으로 고정화하는 데 있어 매우 유용한 도구이다. SBP는 실리카 표면에서 효소를 제어된 방향성으로 고정화하는 것을 용이하게 하는 반면, SFP는 실리카 입자 내에서 효소의 생체모방적 합성과 봉입(encapsulation)을 가능하게 한다. 본 총설에서는 효소 응용에서 SBP와 SFP의 활용에 관한 최근의 진전들을 살펴본다. 또한 효소 고정화와 관련된 이들의 기전(mechanisms)과 서열(sequence) 특성에 대한 포괄적인 개요를 제공한다. 더불어 SBP 또는 SFP를 사용한 효소에 대해, 재조합(recombinant) 생산 및 고정화 절차를 요약한다. 이어서 이용 가능한 SBP와 SFP를 자연적으로 존재하는 유형과 인공적으로 설계된 유형으로 분류하고, 효소 고정화에서의 활용을 보여주는 최근의 사례들을 제시한다. 본 총설은 다양한 SBP와 SFP의 강점과 한계를 부각시키고, 맞춤형 생체촉매성 실리카 개발을 위한 향후 방향을 조명한다.

(taCA)는 높은 열안정성을 보이는 점에서 산업 응용에 있어 중요한 요소로서 매력적인 후보로 부상하였다. 그러나 낮은 발현 수준과 불량한 in vitro 용해도는 taCA의 추가 활용을 저해해 왔다. 최근에는 단백질 발현 및 용해도를 향상시키는 해양 유래의, 본질적으로 무질서한 작은 펩타이드인 NEXT 태그의 융합을 통해 이러한 제한이 해결되었다. 본 연구에서는 NEXT-taCA의 용해도와 안정성을 추가로 조사하였다. NEXT 태그와 taCA 사이의 링커 길이를 단축했을 때, 용해도 향상 성능을 손상시키지 않으면서 발현 수준은 감소하였다. NEXT 태그와 NT11 태그를 비교한 결과, taCA의 발현과 용해도를 모두 개선하는 데 있어 NEXT 태그가 우수함이 입증되었다. taCA의 열안정성은 광범위하게 공학화된 DvCA10보다 낮았지만, NEXT 태그가 부착된 taCA는 무태그 taCA에 비해 장기 열안정성이 30% 향상되어, 향상된 용해도가 효소의 열안정성에 기여할 수 있음을 시사하였다. 또한, 새로운 용해도 향상 융합 태그로서 본질적으로 무질서한 두 펩타이드(Hcr 및 Hku 태그)의 생물탐색을 탐구하여 taCA의 발현과 용해도를 개선하는 데 있어 이들의 성능을 확인하였다. 이러한 노력은 taCA의 실용적 적용을 진전시키고, 효소 생화학 및 생물공학을 위한 도구와 통찰을 제공할 것이다.

N-말단 IDR의 제거로 인해 부분적으로 강화된 수화(hydration) 활성은, 이 영역이 기질의 확산을 방해하는 동적 엔트로피 장벽으로 작용함을 시사한다. RvCA5는 표면에 노출된 다수의 반응성 시스테인 잔기를 가지며, 이는 산화환원 감지(redox-sensing)를 하는 인간 CA3와 유사하다. 특히 예측된 핵 위치 신호에 부합하듯, 실리코(in silico) 모델링에서는 RvCA5가 C-말단 IDR 인근의 양전하 패치(positive charged patch)를 통해 DNA에 결합할 수 있음을 예측하였다. RvCA5의 DNA 결합 능력은 전기영동 이동도 이동 분석(electrophoretic mobility shift assays)으로 실험적으로 입증되었다. 종합하면, 이러한 결과는 RvCA5가 산화환원에 반응하는 전사 조절인자로 잠재적으로 기능할 수 있음을 시사한다.

)는 효소 고정화(immobilization)를 위한 대표적인 지지 재료로서 중요한 역할을 한다. 최근의 발전은 다양한 실리카 결합 단백질(silica-binding proteins, SBPs)과 실리카 형성 단백질(silica-forming proteins, SFPs)의 개발로 이어졌으며, 이는 규소(siliceous) 재료 위에 효소를 빠르고 간단한 방식으로 고정화하는 데 있어 매우 유용한 도구이다. SBP는 실리카 표면에서 효소를 제어된 방향성으로 고정화하는 것을 용이하게 하는 반면, SFP는 실리카 입자 내에서 효소의 생체모방적 합성과 봉입(encapsulation)을 가능하게 한다. 본 총설에서는 효소 응용에서 SBP와 SFP의 활용에 관한 최근의 진전들을 살펴본다. 또한 효소 고정화와 관련된 이들의 기전(mechanisms)과 서열(sequence) 특성에 대한 포괄적인 개요를 제공한다. 더불어 SBP 또는 SFP를 사용한 효소에 대해, 재조합(recombinant) 생산 및 고정화 절차를 요약한다. 이어서 이용 가능한 SBP와 SFP를 자연적으로 존재하는 유형과 인공적으로 설계된 유형으로 분류하고, 효소 고정화에서의 활용을 보여주는 최근의 사례들을 제시한다. 본 총설은 다양한 SBP와 SFP의 강점과 한계를 부각시키고, 맞춤형 생체촉매성 실리카 개발을 위한 향후 방향을 조명한다.

(taCA)는 높은 열안정성을 보이는 점에서 산업 응용에 있어 중요한 요소로서 매력적인 후보로 부상하였다. 그러나 낮은 발현 수준과 불량한 in vitro 용해도는 taCA의 추가 활용을 저해해 왔다. 최근에는 단백질 발현 및 용해도를 향상시키는 해양 유래의, 본질적으로 무질서한 작은 펩타이드인 NEXT 태그의 융합을 통해 이러한 제한이 해결되었다. 본 연구에서는 NEXT-taCA의 용해도와 안정성을 추가로 조사하였다. NEXT 태그와 taCA 사이의 링커 길이를 단축했을 때, 용해도 향상 성능을 손상시키지 않으면서 발현 수준은 감소하였다. NEXT 태그와 NT11 태그를 비교한 결과, taCA의 발현과 용해도를 모두 개선하는 데 있어 NEXT 태그가 우수함이 입증되었다. taCA의 열안정성은 광범위하게 공학화된 DvCA10보다 낮았지만, NEXT 태그가 부착된 taCA는 무태그 taCA에 비해 장기 열안정성이 30% 향상되어, 향상된 용해도가 효소의 열안정성에 기여할 수 있음을 시사하였다. 또한, 새로운 용해도 향상 융합 태그로서 본질적으로 무질서한 두 펩타이드(Hcr 및 Hku 태그)의 생물탐색을 탐구하여 taCA의 발현과 용해도를 개선하는 데 있어 이들의 성능을 확인하였다. 이러한 노력은 taCA의 실용적 적용을 진전시키고, 효소 생화학 및 생물공학을 위한 도구와 통찰을 제공할 것이다.

Escherichia coli에서 재조합 단백질을 생산하는 일은 여전히 불용성 문제를 겪고 있다. 말토스 결합 단백질(maltose-binding protein, MBP)로 대표되는 큰 크기의 기존 용해도 향상 태그는 지금까지도 태그 융합 단백질의 용해 발현을 위한 첫 번째 선택지로 남아 있으나, 태깅된 단백질의 용해성 발현 성공 여부는 대체로 크게 예측하기 어렵다. 또한 큰 태그는 표적 단백질의 기능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 본질적으로 무질서한 펩타이드인 NEXT 태그를 MBP에 대한 작지만 강력한 대안으로 도입하였다. NEXT 태그는 열안정 탄산탈수효소(thermostable carbonic anhydrase)와 환경 생물학적 정화(bioremediation)를 위한 주목할 만한 효소인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 분해 효소를 포함하여, 표적 단백질의 발현 수준과 용해도를 모두 유의하게 향상시킬 수 있었다.

탄산탈수효소(CA)는 CO 2 수화 반응을 촉매하는 아연 함유 효소이다. CA는 CO 2 포집 및 활용을 가속하기 위한 친환경적이며 지속 가능한 생체촉매로서 큰 주목을 받아 왔다. 산업적 응용을 위해서는 CA의 재조합 생산을 개선하여 효소 생산 비용을 절감하는 것이 바람직하다. 비트레오실라 헤모글로빈(VHb)은 세균성 헤모글로빈으로, Escherichia coli에서의 이종 발현이 세포 호흡을 향상시켜 결과적으로 재조합 단백질 생산을 증대시킬 수 있다. 본 연구에서는 모델 탄산탈수효소로서 Neisseria gonorrhoeae CA(NgCA)를 E. coli에서 VHb와 함께 공동 발현하여 NgCA의 생산을 향상시키고자 하였다. VHb의 공동 발현을 저산소증 유도성 Nar 프로모터로 조절한 경우, 가시적인 VHb 발현이나 NgCA 생산의 개선은 관찰되지 않았다. 반면, isopropyl--D-thiogalactopyranoside 유도성 Trc 프로모터에 의한 NgCA와 함께한 VHb의 이중발현(bicistronic expression)은 NgCA의 발현 수준을 15%-18% 향상시켰다. 정제된 NgCA의 활성은 VHb 공동 발현에 의해 영향을 받지 않았다. 따라서 VHb 공동 발현은 산업적으로 관련성이 높은 CA 효소의 세균 생산을 증가시키기 위한 효과적인 전략으로서 일반적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

) 결합, 기질로부터 생성물(중탄산염)로의 전환, 그리고 생성물의 방출. 촉매 경로에서, 우리는 생성물 결합에서 예기치 못한 배치를 확인하고 이를 활성자리 물(active-site water)의 1나노초 미만 수준의 재배열과 연관시킨다. 이러한 실험 관찰에 근거하여, 우리는 CAII의 포괄적인 기전을 제안하고 CAII에서 활성자리 물의 상세한 구조와 동역학을 기술한다. 본 연구 결과는 CAII가 확산-한정 촉매 효율을 위해 활성자리 물의 구조와 빠른 동역학을 활용하도록 진화했음을 시사한다.

생명공학 응용을 위한 대장균(Escherichia coli)에서 재조합 단백질을 생산하려는 수요가 높지만, 이들의 생산은 불용성 때문에 여전히 제한된다. 융합 태그는 응집이 잘 일어나는 단백질의 용해도를 향상시키기 위해 성공적으로 사용되어 왔으나, 표적 단백질의 수율과 품질을 높이기 위해서는 더 작고 더 강력한 태그가 필요하다. 본 연구에서는 53개 아미노산 길이의 용해도 증강제인 NEXT 태그를 기술한다. NEXT 태그는 동반 단백질(passenger proteins)에 대한 영향은 최소화하면서 생체 내(in vivo)와 시험관 내(in vitro)에서 모두 용해도를 향상시키는 탁월한 능력을 보였다. 태그의 C-말단 영역이 시험관 내 용해도에 주로 책임이 있었던 반면, N-말단 영역은 생체 내 용해성 발현에 필수적이었다. NEXT 태그는 본질적으로 무질서(intrinsically disordered)한 성질을 가지는 것으로 보이며, 엔트로피적 강모(entropic bristle)처럼 작용하여 인접 분자들을 배제하고 단백질 응집을 예방하는 것으로 보인다. 이 새로운 펩타이드 태그는 발현이 어려운 단백질의 수율과 품질을 증가시키기 위한 융합 파트너로서 일반적인 용도로 활용될 수 있을 것이다.

효소 고정화는 효소의 산업적 응용에서 필수적인 기술로 부상해 왔다. 실리카(SiO2)는 효소 고정화를 위한 대표적인 지지체 물질로 사용된다. 최근의 발전은 효소를 실리카성 재료에 고정화하는 데 유용한 도구가 되는 다양한 실리카 결합 단백질(Silica-binding proteins, SBPs)과 실리카 형성 단백질(Silica-forming proteins, SFPs)의 개발로 이어졌다. SBPs는 실리카 표면에서 효소의 조절된 방향성을 가능하게 하는 반면, SFPs는 실리카 입자 내부에서 효소의 생체모방적 합성과 캡슐화를 가능하게 한다. 본 리뷰는 SBPs와 SFPs를 자연적으로 존재하는 유형과 인공적으로 설계된 유형으로 구분하여, 효소 고정화와 관련된 이들의 기전과 특성에 대한 포괄적인 개요를 제공한다.