변형된 거미 실크 단백질 document_id A220623063835

거미 실크는 뛰어난 물리적 특성을 보이는 단백질 폴리머이다. 거미 실크의 다른 유형의 거미실크 중에서 드래그라인(dragline)이 가장 활발하게 연구되었다. 드래그라인 실크는 둥근 그물을 만드는 거미(orb weaving spider)가 그들의 그물로 프레임 및 방사형을 구축 하기 위해, 지속적으로 뒤로 이동할 수 있도록 하는 생명선(lifeline)이다. 이러한 목적을 위해서 높은 인장강도 및 탄력성이 요구된다. 그러한 특성이 조합되면 대부분의 다른 기존 재료 보다도 높은 인장력을 얻을수 있다. 드래그라인 실크는 일반적으로 두 개의 주요한 단백질로 구성되어 있으며, 상기 단백질들의 일차 구조는 공통의 반복 구조(common repetitive architccture)를 공유한다. 구형의 포획 나선계는, 그 일부가 편모선(flagclliform gland)에 의해 형성되는 접착성의 실크로 구성되어 있으며, 그런 까닭에 편모상 실크라고 불리며, 신축성이 있고 끊어지기전에 3배의 길이로 늘어날수 있지만, 드래그라인 실크 인장 강도의 절반 수준이다. 단일 반복 단위의 변이는 60개에 이르는 아미노산을 포함할 수 있으며, 여러번 반복되어 거미 실크 서열의 가장 큰 부분을 나타낸다. 이러한 반복 단위는 특이적인 아미노산 모티프의 제한된 세트를 포함한다. 모든 드래그라인 실크의 반복 단위에서 발견되는 하나의 모티프는 전형적으로 6 내지 9 알라닌 잔기의 블록이다. 견사(silk threads)에서는 몇몇 폴리알라닌 모티프가 결정 β-시트 스택(stacks)을 형성하고 인장강도를 갖는다. GGX 또는 GPGXX 같은 글리신 풍부 모티프는 결정 영역을 연결하는 가요성(flexible) 나선형 구조를 채택하고 실에 탄력성을 부여한다. 생체 내(in vivo) 실크 어셈블리(assembly)는 주목할 만한 과정이다. 거미 드래그라인 실크 단백질은 소위 주요 앰풀레이트 샘(ampullatc gland)에 최대50%(w/v)의 농도로 저장된다. 비록 메이저 주요 앰풀레이트 샘 내에 있는 단백질에 대해서 “동적이고 느슨한 나선형 구조(dynamic loose helical structure)"가 제안되어 왔지만, 더 최근의 데이터는 소위 A-존(zone)의 단백질에 대한 임의의 코일 형태임을 시사하며, 이는 상기 샘의 가장 큰 부분을 나타낸다. 고농도의 단백질 용액은 실크 도프액(방사 용액)을 형성하며, 이는 액정(liquid crystal)의 특성을 보인다. 실의 어셈블리는 물, 나트륨 및 염화물의 추출을 수반하는 방사 덕트를 통해 도프액이 통과하는 동안 개시된다. 동시에, 더 많은 이액성(lytropic) 이온 칼륨 및 인산염의 농도는 증가하고, pH는 6.9에서 6.3으로 저하된다. 어셈블리는 최종적으로 거미의 배 밖으로 실을 끌어당김으로써 일어나는 기계적인 힘에 의해 유발된다. 몇 가지 목적을 위해 천연 견사(silk threads)는 직접 사용되지 않고, 용해되어 필름, 발포체, 구체, 나노피브릴, 하이드로겔 등과 같은 다른 형태로 재형성될 필요가 있다. 거미 실크 단백질의 일부 구조적 특성이 밝혀졌지만, 여전히 개개의 실크 단백질 및 일차 구조의 요소, 어셈블리 과정의 기여에 대해서는 거의 알려진 것이 없다. 정원 거미인 무당 거미(Araneous diadematus)의 두 가지 주요 드래그라인 실크 단백질 ADF-3 및 ADF-4의 비교 연구로 그들의 아미노산 서열이 어느 정도 유사함에도, 현저하게 다른 용해도 및 어셈블리 특성을 나타냄을 밝혀냈다: ADF-3은 고농도에서도 가용성인 반면, ADF-4는 실질적으로 불용성이며, 특정 조건하에서 실모양의(filamentous) 구조로 자가-어셈블리한다(공지되지 않은 결과). 과학 및 상업적인 관심은 거미 실크를 공업적 규모에서 제조하는 연구를 개시하게 했다. 천연 거미 실크 생산은 거미의 상호포식(cannibalism) 때문에 비실용적이고, 인공적 생산은 충분한 단백질 수율 및 양질의 실-어셈블리 모두를 달성함에 있어 문제점에 직면했다. 세균적 발현은 낮은 단백질 수준을 산출했는데, 이는 세균 및 거미에서의 상이한 코돈 사용에 기인한 것일 것이다. 발현 숙주에 적합하도록 한 코돈을 사용한 합성 유전자는 높은 수율을 가져오지만, 그렇게 합성된 단백질은 천연 거미 실크와 비교했을 때 상이한 특성을 보였다. 포유류 세포주에서 부분적인 드래그라인 실크 cDNA 발현은 여전히 열악한 품질이었지만, 인공적으로 '명주(silken)' 실로 방사될 수 있는 실크 단백질(예를 들어 ADF-3)을 생산했다. 발명자들은 E.coli에서 재조합 거미 실크 단백질을 생산하기 위한 시스템을 먼저 발전시켰다. 예를 들면, WO2006/008163(미국 출원번호 제60/590,196 우선권 주장)에 언급되어 있다. 이러한 발현 시스템에서, 하나의 구조 블록(=모듈)은 자유롭게 가변될 수 있어, 특별한 경우의 필요에 적합 할 수 있다. 이러한 유형의 모듈은 또한 Hummerich, D., Helsen, C.W., Oschmann, J., Rudolph, R. 0026#Scheibel, T. (2004):"Primary structure elements of dragline silks and their contribution to protein solubility and assembly, Biochemistry 43, 13604-13612"에 기술되어 있다. 의약 분야에서 특별히 거미 실크 단백질의 적용과 높은 관련성을 가지는 하나의 목적은 약, 단백질, 화합물 등을 거미 실크 단백질과 공유적으로 결합시키는 것이다. 하지만, 현재까지, 한편으로 이러한 물질이 소정양의 거미 실크 단백질에 결합하고, 또 한편으로 거미 실크 단백질 내의 소정 위치에 결합할 수 있는 만족할만한 결합 기술이 알려지지 않았다.