Seokhee Kim Lab
화학부 김석희
김석희 교수 연구실은 자연이 어떻게 다양한 생체분자를 생성하는지에 대한 분자적 논리를 이해하고, 이를 생명공학 및 의학적 문제 해결에 응용하는 것을 목표로 하고 있습니다. 생체분자의 다양성은 생명 시스템의 복잡성과 새로운 환경에 대한 적응 및 진화의 근간이 되며, 이를 조절하는 정교한 분자 메커니즘을 규명하는 것이 연구의 핵심입니다.
특히, 본 연구실은 리보솜 합성 및 번역 후 변형 펩타이드(RiPPs)의 구조적·기능적 다양성과 생합성 경로를 심층적으로 연구하고 있습니다. 유전체 마이닝, 구조생물학, 효소학, 분자생물학, 생화학 등 다양한 첨단 기법을 활용하여, 자연계에 존재하는 미지의 펩타이드 천연물과 그 생합성 유전자군을 발굴하고, 새로운 효소 및 변형 메커니즘을 규명합니다. 이를 통해 항생제, 항암제 등 의약 소재로의 응용 가능성도 적극적으로 모색하고 있습니다.
또한, 단백질 및 효소의 기능을 신속하게 향상시키기 위한 지속적 유도 진화(Continuous Directed Evolution) 및 표적 in vivo 돌연변이 유도 기술 개발에도 주력하고 있습니다. 본 연구실이 개발한 eMutaT7 등은 유전자 특이적으로 다양한 돌연변이를 유도하여, 단백질 진화의 효율성과 다양성을 극대화할 수 있는 혁신적인 플랫폼입니다. 이러한 기술은 생명공학, 의약, 산업용 효소 개발 등 다양한 분야에서 실질적인 파급 효과를 기대할 수 있습니다.
아울러, 세포 내 단백질 품질 관리에 관여하는 효소(예: DegP)의 활성 조절, 올로스테릭 메커니즘, 기질 특이성 등도 구조생물학적·생화학적 접근으로 연구하고 있습니다. 이는 세포 항상성 유지, 스트레스 적응, 항생제 저항성 등 생명현상의 근본 원리를 밝히는 데 중요한 역할을 합니다.
이처럼 김석희 교수 연구실은 생체분자 다양성의 생성 원리 규명과 이를 응용한 신기술 개발을 통해, 기초과학의 발전과 더불어 실질적인 사회적·산업적 가치를 창출하는 데 앞장서고 있습니다.
RiPPs
Targeted in vivo mutagenesis
Directed evolution
리보솜 합성 및 번역 후 변형 펩타이드(RiPPs)의 구조 및 생합성 다양성 연구
본 연구실은 리보솜에 의해 합성되고 번역 후 다양한 효소적 변형을 거치는 펩타이드(RiPPs)의 구조적 및 생합성 경로의 다양성에 대해 심도 있게 연구하고 있습니다. RiPPs는 자연계에서 발견되는 천연물 중에서도 구조적 다양성이 매우 뛰어나며, 이들의 생합성 경로는 기존의 비리보솜 펩타이드나 폴리케타이드와는 다른 독특한 특징을 가집니다. 특히, RiPPs의 생합성 유전자군(BGCs)은 다양한 1차 변형 효소를 포함하고 있어, 새로운 구조적 클래스의 RiPPs가 자연계에 얼마나 존재하는지 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다.
연구실에서는 유전체 마이닝, 구조생물학, 효소학, 분자생물학, 생화학 등 다양한 접근법을 활용하여 RiPPs의 새로운 구조와 생합성 메커니즘을 규명하고 있습니다. 예를 들어, 에스터/아마이드 교차결합을 가진 다환성 펩타이드(OEPs, graspetides)의 구조적 다양성과 이들의 생합성 경로를 집중적으로 분석하고 있으며, 이를 통해 새로운 펩타이드 천연물의 발견과 기능적 특성 규명에 기여하고 있습니다. 또한, 최근에는 P450 매크로사이클라아제에 의해 생성되는 다양한 바이아릴 결합 펩타이드의 화학적 다양성과 생합성 경로도 새롭게 밝혀내고 있습니다.
이러한 연구는 RiPPs의 구조적·기능적 다양성에 대한 이해를 심화시킬 뿐만 아니라, 새로운 항생제, 항암제 등 의약 소재로의 응용 가능성을 넓히는 데 중요한 기반이 됩니다. 앞으로도 본 연구실은 RiPPs의 미지의 영역을 개척하며, 생명현상의 근본 원리를 밝히고 이를 실용화하는 데 앞장설 것입니다.
지속적 유도 진화 및 표적 in vivo 돌연변이 유도 기술 개발
본 연구실은 단백질 및 효소의 기능을 향상시키기 위한 지속적 유도 진화(Continuous Directed Evolution)와 표적 in vivo 돌연변이 유도 기술 개발에 주력하고 있습니다. 전통적인 유도 진화는 in vitro에서 DNA 다양화와 클론 선택을 반복적으로 수행해야 하므로, 라이브러리 규모와 실험 효율에 한계가 있었습니다. 이에 반해, 본 연구실은 세포 내에서 직접 유전자 다양화와 선택이 동시에 이루어지는 in vivo 돌연변이 시스템을 개발하여, 보다 빠르고 효율적인 단백질 진화가 가능하도록 하였습니다.
특히, eMutaT7와 같은 유전자 특이적 초돌연변이 시스템을 개발하여, 원하는 유전자에만 높은 빈도로 다양한 전이 돌연변이를 유도할 수 있게 하였습니다. 이 시스템은 두 종류의 강력한 디아미나아제 효소를 T7 RNA 중합효소에 융합하여, C:G→T:A 및 A:T→G:C 전이 돌연변이를 균등하게 유도할 수 있습니다. 이를 통해 항생제 내성 단백질, 효소 활성 향상 등 다양한 목적의 단백질 진화가 신속하게 이루어질 수 있습니다.
이러한 기술은 생명공학 및 의학 분야에서 실질적인 응용 가능성을 지니며, 새로운 기능성 단백질, 효소, 항생제 개발에 혁신적인 도구로 활용되고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 표적성, 효율성, 다양성을 극대화한 유도 진화 플랫폼을 지속적으로 개발하여, 생명현상 탐구와 실용화에 기여할 계획입니다.
생화학적 효소 메커니즘 및 단백질 품질 관리 시스템 연구
연구실은 세균 및 진핵생물에서 단백질 품질 관리에 관여하는 다양한 효소와 그 조절 메커니즘에 대한 연구도 활발히 수행하고 있습니다. 특히, DegP와 같은 HtrA 패밀리 프로테아제의 활성 조절, 올리고머화, 기질 특이성, 올로스테릭 조절 등 복잡한 조절 메커니즘을 구조생물학적·생화학적 방법으로 규명하고 있습니다. 이러한 연구는 세포 내 단백질 항상성 유지, 스트레스 적응, 항생제 저항성 등과 밀접하게 연관되어 있습니다.
예를 들어, DegP 프로테아제의 활성화 및 억제 메커니즘, 기질 결합에 따른 구조 변화, 올로스테릭 조절자 및 자살 활성화 단백질(YjfN 등)의 역할을 분자 수준에서 규명하였으며, 이를 기반으로 새로운 항생제 전략(비필수 효소의 과활성화 유도 등)도 제시하였습니다. 또한, 다양한 펩타이드 변형 효소의 기질 인식 및 변형 메커니즘을 밝힘으로써, 자연계에서의 단백질/펩타이드 다양성 생성 원리를 이해하는 데 기여하고 있습니다.
이러한 연구는 단백질 품질 관리 시스템의 근본 원리 규명뿐만 아니라, 질병 치료, 항생제 개발, 단백질 공학 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 중요한 지식을 제공합니다. 앞으로도 본 연구실은 효소 메커니즘 연구를 바탕으로 생명현상과 질병의 분자적 이해 및 응용 기술 개발에 힘쓸 것입니다.
1
Evolutionary Spread of Distinct O-methyltransferases Guides the Discovery of Unique Isoaspartate-Containing Peptides, Pamtides
, 1970
2
Exploring the diverse landscape of biaryl-containing peptides generated by cytochrome P450 macrocyclases
, 1970
3
Discovery and Biosynthesis of Cihunamides, Macrocyclic Antibacterial RiPPs with a Unique C-N Linkage Formed by CYP450 Catalysis
, 1970
1
다중 에스터 거대고리 또는 백본 N-메틸기 중심의 펩타이드 천연물의 구조 및 생합성 경로 확장