DNA는 대부분 생명체의 유전물질로서 복제되어 후손에게 전해진다. DNA는 전사과정을 통해 RNA가 되고, RNA 중 mRNA는 번역을 통해 단백질이 된다. 어릴 적 생물 수업 시간에 배운 이 분자생물학의 중심원리를 기억할 것이다. 즉 단백질은 유전자의 염기서열에 기반하여 20종류의 아미노산이 연결되어 만들어지는 것이다. 이렇게 만들어진 단백질은 효소(enzyme), 구조 단백질, 신호전달 단백질 등 세포 안과 밖에서 다양한 기능을 수행한다. 이들 중 효소와 단백질 공학을 통한 효소의 개량 과정에 대하여 살펴보자.

효소는 세포 내외에서 일어나는 반응에서 촉매 역할을 하는 단백질이다. 화학촉매와 비교하여 반응의 특이성과 선택성이 높고, 반응이 화학촉매반응과는 달리 상온 상압이나 체온과 같이 마일드한 조건에서 일어난다는 특징이 있다. 우리가 밥을 먹으면 침에 들어 있는 아밀라아제가 전분을 분해하여 소화되기 쉬운 형태로 바꾸어 준다. 궁극적으로 세포 내로 전달된 포도당은 수많은 대사반응들을 통하여 세포를 구성하는 핵산, 아미노산, 지방산 합성 및 에너지 생산에 사용되고, 이들이 중합되어 DNA, RNA, 단백질, 지방 등이 만들어진다. 이 모든 대사반응들을 효소들이 담당한다. 모든 생명체가 생명을 유지하기 위해서는 효소 반응이 필수적이다.

효소는 매우 다양한 곳에서 활용되고 있다. 질병을 치료하는 데 쓰이는 효소도 있고 일상생활과 산업활동에서도 널리 사용된다. 과식을 하여 소화가 안 될 때 먹는 소화제에는 단백질 분해효소인 프로티아제, 지방 분해효소인 리파아제, 그리고 탄수화물 분해효소인 셀룰라제와 아밀라아제 등이 들어 있다. 이 효소들이 음식물의 분해를 도와 소화를 촉진시켜 주는 것이다.

세탁기로 빨래를 할 때 때를 빼는 과정에서 빨래를 휘젓고 비벼주는 물리적인 작용과 계면활성 작용, 그리고 효소에 의한 때의 화학적 분해작용이 일어난다. 세탁기에 넣는 세제에도 프로티아제, 리파아제, 그리고 셀룰라제나 아밀라아제 등이 들어 있다. 이들 효소가 옷에 붙은 음식 잔여물, 때 등을 분해하여 제거해 주는 것이다. 그런데 이 효소들은 자연계에서 발견된 천연 효소들이 아니다. 때를 보다 더 효율적으로 제거하기 위하여 효소의 활성을 높이고 좀 더 높은 온도나 찬물과 같이 낮은 온도에서도 활성을 유지하게끔 개량한 것이다. 이렇게 단백질의 성능과 특성을 바꾸는 것이 단백질 공학이다. 아미노산으로 연결된 단백질들을 직접 변경할 수는 없고, 그 단백질을 만드는 유전자 DNA를 변형하여 개량 단백질을 만들게 된다. 이때, DNA 서열을 매우 다양하게 디자인하여 바꾸고 이들을 유전자 재조합 기술로 미생물에서 다양한 단백질 변이체들로 생산한 뒤 스크리닝하여 원하는 성능과 특성을 가진 단백질을 개발할 수 있는 것이다. 2018년 노벨화학상을 받은 프랜시스 아널드 교수가 개발한 유도진화기술은 DNA 셔플링 기법과 더불어 변화된 서열을 갖는 DNA 라이브러리 구축 과정을 빠르게 수행할 수 있게 해준다. 현재는 단백질 공학을 할 수 있는 다양한 방법들이 개발되었으며, 모든 것을 실험으로 다 하지 않고도 컴퓨터로 시뮬레이션과 인공지능을 이용하여 단백질을 개량하는 전략도 제시할 수 있게 되었다.

DNA를 복제하는 효소인 DNA 중합효소도 단백질 공학으로 엄청나게 개량되어 DNA를 증폭하는 중합효소연쇄반응에 쓰이고 있으며, 특정 DNA 서열을 절단하는 제한효소, DNA를 붙이는 연결효소 등도 단백질 공학으로 성능과 특성이 개량되어 유전자 재조합 기술에 필수적으로 사용되고 있다. 최근 각광을 받고 있는 크리스퍼 시스템의 DNA 절단을 담당하는 카스9 효소도 개량을 통해 다양한 변형된 방식의 게놈편집을 가능하게 해주고 있다.

이렇게 효소를 개량하는 단백질 공학 기술을 세포 내 수많은 반응을 촉매하는 다양한 효소들에 동시에 적용할 수도 있다. 한 예로, 대장균을 이용하여 스판덱스의 원료인 1,4-부탄디올을 생산하는 경우 설계된 대사회로에서 성능이 낮은 효소들을 찾아 모두 단백질 공학으로 개량함으로써 1,4-부탄디올의 생산성을 높일 수 있다. 즉 단백질 공학은 전체 대사 네트워크를 최적화하는 생명공학의 꽃인 대사공학의 핵심 기술인 것이다.

이상과 같이 단백질 공학에 의해 개량된 효소의 역할은 우리 먹거리와 건강, 화학물질, 연료 및 플라스틱의 친환경적 생산, 플라스틱 포함 난분해성 오염물질의 분해 등 다양한 분야에서 점점 더 중요해질 것이다.