Protein Chemistry and Protein Engineering 서울대학교 화학생물공학부 백 승 렬

Leaders with Vision for the Future Potential Creative Researchers Understanding Multidisciplinary Subject Leaders with Vision for the Future

단백질 공학: 단백질의 변형을 통하여 유용성이 뛰어난 신기능성 단백질의 생산 유전공학: 생물공학의 제1의 물결 [다량의 단백질 제공] 단백질공학: 생물공학의 제2의 물결 [산업적 효용가치 증대] 따라서, 생명과학 관련 다양한 분야의 지식과 기술의 접목 필요성

Central Dogma

Cycle of Protein Engineering

돌연변이 유도: [1] rational design: site-directed mutagenesis [2] non-rational (random) design: DNA shuffling or directed evolution Structure-Function Relationship of Protein 단백질의 변형을 통하여 다양한 성질의 변화를 추구함. Examples [1] 산업적 효소: protease, glucose isomerase, calf chymosin, papain, amylase, cellulase 및 xylanase, pectinolytic enzyme, lipase 등 [2] 의료용 단백질: 다양한 생리활성의 펩타이드, peptide 또는 polypeptide vaccine, antibody, 세포내 신호전달 관련 단백질, 유전자 발현 관련 단백질, hormone과 수용체 등 [3] 환경산업관련 효소

Protein Engineering (1) Novel and altered functions (2) Physical properties such as enhanced stability (3) Structure based materials Enzymes for pharmaceutical and biotechnology industries Proteins as materials (1) Nanoscale architecture (2) Rich chemistry (3) Versatile enzymatic activities Advances in protein engineering (1) de novo protein design (2) molecular biology (3) non-natural amino acids and peptide ligation (4) protein assembly

- Fabrication of Devices with Protein Molecules K. Eric Drexler “Self-replicating Nano Assembler” [PNAS 78, pp 5275-5278 (1981)] - Fabrication of Devices with Protein Molecules - Proteins as a design element Self-assembly Recognition specificity Biofabrication 인트로덕션입니다. Parkinson’s disease는 신경퇴행성질병으로 떨림, 운동장애, 경직, 불안정성 등의 증상을 보입니다. 또한 섭스텐샤 니그라에 lewy body를 형성함으로서 신경세포의 손실을 야기시킵니다. 이러한 lewy body의 주요 구성단백질은 본래 무정형의 구조를 지니는 a-syn으로 high aggregative potential을 보이며 amyloid fibril을 형성합니다. Amyloid를 형성하는 원리에서 일반적으로 널리 알려진 model은 Nucleation-dependent amyloidosis 입니다. monomer 상태의 peptide 또는 protein이 국부적으로 oligomer를 형성하고 이 nucleation center에 monomer가 계속적으로 첨가됨으로써 성숙된 amyloid를 형성하게 된다는 이론입니다.

Biological Structures = Nanomaterials

Lipids Fatty acids

Structural Hierarchy of Protein 인트로덕션입니다. Parkinson’s disease는 신경퇴행성질병으로 떨림, 운동장애, 경직, 불안정성 등의 증상을 보입니다. 또한 섭스텐샤 니그라에 lewy body를 형성함으로서 신경세포의 손실을 야기시킵니다. 이러한 lewy body의 주요 구성단백질은 본래 무정형의 구조를 지니는 a-syn으로 high aggregative potential을 보이며 amyloid fibril을 형성합니다. Amyloid를 형성하는 원리에서 일반적으로 널리 알려진 model은 Nucleation-dependent amyloidosis 입니다. monomer 상태의 peptide 또는 protein이 국부적으로 oligomer를 형성하고 이 nucleation center에 monomer가 계속적으로 첨가됨으로써 성숙된 amyloid를 형성하게 된다는 이론입니다.

[Amino acids]

[Nonstandard amino acids]

[Peptide]

Peptide의 생리활성 Aspartame: aspartate와 phenylalanine Oxytocin: 자궁수축 Bradykinin: 항염증효과 Enkephalin: 마취성, 통증조절 Insulin, glucagon, somatostatin: Glucose metabolism Tissue specific limited proteolysis of precursor polypeptides (in vivo) Solid phase synthesis (in vitro)

[Protein] Noncovalent interactions Ionic interaction Hydrogen bond Hydrophobic interaction van der Waals interaction Structural flexibility – Functional variety Protein folding : Entropy

[Denaturation-Renaturation Experiment by Christian Anfinsen]

Levinthal’s paradox Folding mechanisms Diffusion-collision (microdomain) model Framework model Hydrophobic collapse model Molten globule model Jigsaw puzzle model

[Hydrophobic collapse model]

[Molecular Chaperone] Holdase vs. Foldase

Structural Hierarchy of Protein 인트로덕션입니다. Parkinson’s disease는 신경퇴행성질병으로 떨림, 운동장애, 경직, 불안정성 등의 증상을 보입니다. 또한 섭스텐샤 니그라에 lewy body를 형성함으로서 신경세포의 손실을 야기시킵니다. 이러한 lewy body의 주요 구성단백질은 본래 무정형의 구조를 지니는 a-syn으로 high aggregative potential을 보이며 amyloid fibril을 형성합니다. Amyloid를 형성하는 원리에서 일반적으로 널리 알려진 model은 Nucleation-dependent amyloidosis 입니다. monomer 상태의 peptide 또는 protein이 국부적으로 oligomer를 형성하고 이 nucleation center에 monomer가 계속적으로 첨가됨으로써 성숙된 amyloid를 형성하게 된다는 이론입니다.

[Enzyme] Substrate specificity (기질특이성) Acceleration of chemical reaction (반응가속화) Mild conditions (온순조건) (37 degree and pH 7.4) Rate Enhancement (반응속도 증가) without affecting Chemical Equilibrium (반응평형) Binding Energy between Enzyme and Substrate

Most biomolecules are quite stable. No reaction w/o enzyme Enzyme: Active site + Other region

Enzyme catalyzed reaction: 반응평형 무관, 반응속도만 증가 increase reaction rate without affecting chemical equilibrium cf) mass action ratio Go’ = - RT ln Keq vs. k = kT/h exp (- G‡/RT)

[Protein-based Suprastructure Formation]

Supramolecular Assembly of Proteins 인트로덕션입니다. Parkinson’s disease는 신경퇴행성질병으로 떨림, 운동장애, 경직, 불안정성 등의 증상을 보입니다. 또한 섭스텐샤 니그라에 lewy body를 형성함으로서 신경세포의 손실을 야기시킵니다. 이러한 lewy body의 주요 구성단백질은 본래 무정형의 구조를 지니는 a-syn으로 high aggregative potential을 보이며 amyloid fibril을 형성합니다. Amyloid를 형성하는 원리에서 일반적으로 널리 알려진 model은 Nucleation-dependent amyloidosis 입니다. monomer 상태의 peptide 또는 protein이 국부적으로 oligomer를 형성하고 이 nucleation center에 monomer가 계속적으로 첨가됨으로써 성숙된 amyloid를 형성하게 된다는 이론입니다.

Amyloidogenesis Soluble Proteins Amyloid Fibrils Self-assembly 인트로덕션입니다. Parkinson’s disease는 신경퇴행성질병으로 떨림, 운동장애, 경직, 불안정성 등의 증상을 보입니다. 또한 섭스텐샤 니그라에 lewy body를 형성함으로서 신경세포의 손실을 야기시킵니다. 이러한 lewy body의 주요 구성단백질은 본래 무정형의 구조를 지니는 a-syn으로 high aggregative potential을 보이며 amyloid fibril을 형성합니다. Amyloid를 형성하는 원리에서 일반적으로 널리 알려진 model은 Nucleation-dependent amyloidosis 입니다. monomer 상태의 peptide 또는 protein이 국부적으로 oligomer를 형성하고 이 nucleation center에 monomer가 계속적으로 첨가됨으로써 성숙된 amyloid를 형성하게 된다는 이론입니다.

Creutzfeldt-Jakob disease [Spongiform encephalopathies] Amyloidogenesis degradation Misfolded protein Folded state Amino acids refolding Accumulation 인트로덕션입니다. Parkinson’s disease는 신경퇴행성질병으로 떨림, 운동장애, 경직, 불안정성 등의 증상을 보입니다. 또한 섭스텐샤 니그라에 lewy body를 형성함으로서 신경세포의 손실을 야기시킵니다. 이러한 lewy body의 주요 구성단백질은 본래 무정형의 구조를 지니는 a-syn으로 high aggregative potential을 보이며 amyloid fibril을 형성합니다. Amyloid를 형성하는 원리에서 일반적으로 널리 알려진 model은 Nucleation-dependent amyloidosis 입니다. monomer 상태의 peptide 또는 protein이 국부적으로 oligomer를 형성하고 이 nucleation center에 monomer가 계속적으로 첨가됨으로써 성숙된 amyloid를 형성하게 된다는 이론입니다. Amyloid formation Degenerative disorders Creutzfeldt-Jakob disease [Spongiform encephalopathies]

Neurodegenerative disorders The amyloid formation is the common phenomenon observed in various neurodegenerative disorders, including Parkinson’s disease, Alzheimer’s disease, Huntington’s chorea, Amyotrophic lateral sclerosis, Prion disease, etc. 인트로덕션입니다. Parkinson’s disease는 신경퇴행성질병으로 떨림, 운동장애, 경직, 불안정성 등의 증상을 보입니다. 또한 섭스텐샤 니그라에 lewy body를 형성함으로서 신경세포의 손실을 야기시킵니다. 이러한 lewy body의 주요 구성단백질은 본래 무정형의 구조를 지니는 a-syn으로 high aggregative potential을 보이며 amyloid fibril을 형성합니다. Amyloid를 형성하는 원리에서 일반적으로 널리 알려진 model은 Nucleation-dependent amyloidosis 입니다. monomer 상태의 peptide 또는 protein이 국부적으로 oligomer를 형성하고 이 nucleation center에 monomer가 계속적으로 첨가됨으로써 성숙된 amyloid를 형성하게 된다는 이론입니다. Parkinson’s disease Prion disease [mad cow disease] Alzheimer’s disease