오늘은 새로운 nucleic acid enzyme인 MNAzyme에 대해 설명하고 이것의 기능과 바이오센서에 활용되는 방식에 대해 이야기하도록 하겠습니다.
저자들은 핵산이 가지는 versatile한 능력과 유용성을 높이기 위해 다성분 복합체인 MNAzyme을 개발하였다고 합니다.
MNAzyme은 multicomponent nucleic acid enzyme의 줄임말이며 특정 입력 신호에 반응하여 출력 신호를 생성할 수 있는 역할을 수행할 수 있습니다.
이와 관련되어 partzyme이나 facilitator 등이 MNAzyme을 활성화하기 위해 필요하며 이는 본문에서 더욱 자세히 설명하도록 하겠습니다.
저자들은 MNAzyme이 분자 스위치의 기능과 분자 연속적으로 작동하는 능력을 보여줬으며 이것이 진단 바이오센서, 분자 컴퓨터 등의 다양한 분야에서 통합 및 활용될 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.
보다 자세한 내용은 이후 설명하도록 하겠습니다.
1. DNAzyme의 새로운 버전인 MNAzyme 논문 서론
DNA와 RNA는 탁월한 physical, functional한 특성을 가지고 있기 때문에 진단, 나노기술, 치료 등의 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있다고 합니다.
많은 연구자들은 핵산의 자연적/인위적 특징에 대해 연구하고 있으며 예를 들어 동일 or 단일 가닥 내의 핵산 결합 (Homo or Hetero dimer), strand displacement, 특정 ligand에 결합하는 aptamer 그리고 효소와 유사한 역할을 수행하는 nucleic acid enzyme이 있습니다.
일반적으로 nucleic acid enzyme은 단일 가닥의 DNA (DNAzyme or deoxyribozyme)이나 RNA (ribozyme or RNAzyme)이 있습니다.
이들은 효소 활성을 위한 catalytic core domain과 인식을 위한 substrate binding domain으로 나뉩니다.
DNAzyme과 RNAzyme은 RNA나 DNA의 절단, 연결, 인산화, glycosylation 등의 다양한 화학 반응을 일으킬 수 있습니다.
촉매 핵산은 종종 압타머와 결합하여 바이오 센서 분야에서 널리 활용되고 있다고 얘기했습니다.
많은 연구에서는 catalytic core domain이 온전하게 포함된 핵산 염기 서열을 활용하지만 기질과는 결합력이 약해져 효소 활성이 감소된 상태로 활용한다고 합니다.
이러한 설계에서 표적 (target)이 기질의 결합 친화도와 촉매 활성을 증가시키는 방향으로 작동하게 됩니다.
저자는 이에 대해 예를 들며 표적이 inhibitory hairpin 구조를 파괴하거나 기질에 결합하여 상호작용을 강화할 수 있는 기술에 대해 reference를 달았습니다.
하지만 이러한 접근법의 단점으로는 표적 물질이 없는 경우에도 낮은 정도의 catalytic 활성이 있을 수 있다는 것입니다.
저자들은 다음으로 보다 안전한 전략으로 catalytic core를 여러 개의 oligonucleotide로 나누어 이들이 결합하여 활성을 낼 수 있도록 하는 것에 대해 이야기하였습니다.
저는 이 부분이 저자들이 제안하는 본 기술의 핵심이 되는 내용이라고 생각했습니다.
이러한 oligonucleotide는 ribozyme의 광범위한 설계와 in vitro 실험이나 G 사중 구조 등의 연구를 하다가 발견되었다고 합니다.
이런 배경을 가지고 저자들은 catalytic core 염기 서열의 부분과 그것에 결합할 할 수 있는 partzyme을 이용한 MNAzyme 기술을 개발했습니다.
이는 이전 연구들과 다르게 예측되거나 관찰된 구조적/기능적 domain에 대한 지식이나 활용을 필수로 요구하지 않는다고 합니다.
저자들은 핵산 효소에서 catalytic core를 분할하여 다양한 서열을 통합한 다수의 partzyme을 설계함으로써 이러한 접근 방식을 입증하였다고 합니다.
각 partzyme은 따로 있을 때 비활성화되어 있지만 assembly facilitator가 있는 경우에는 결합하여 catalytic 활성을 가지는 MNAzyme을 형성할 수 있습니다.
MNAzyme의 특성은 그 기능과 유연성이 매우 좋기 때문에 nucleic acid enzmye의 활용성을 더욱 확장시킬 수 있다고 이야기합니다.
보다 자세한 내용은 모식도를 보고 설명하도록 하겠습니다.
2. Muticomponent Nucleic acid enzyme (MNAzyme) 본문
이제 추가적인 설명을 위해 저자들이 제안한 MNAzyme 기술의 schematic 예시를 보며 이야기하도록 하겠습니다.
DOI: https://doi.org/10.1021/ja9076777
Mokany, E., Bone, S. M., Young, P. E., Doan, T. B., & Todd, A. V. (2010).
MNAzymes, a versatile new class of nucleic acid enzymes that can function as biosensors and molecular switches. Journal of the American Chemical Society, 132(3), 1051-1059.
MNAzyme은 assembly facilitator가 있는 경우에만 활성을 나타낼 수 있습니다.
위 모식도를 보면 알 수 있듯이 MNAzyme은 Partzyme A와 Partzyme B로 구성되어 있습니다.
또한 각각의 partzyme은 substrate arm과 sensor arm 그리고 각각의 catalytic core를 가지는 것을 볼 수 있습니다.
먼저 Partzyme A와 Parzyme B는 둘이 상보적인 염기 서열을 가지고 있지 않기 때문에 결합하여 catalytic 활성을 낼 수 없습니다.
이를 결합하게 하는 것이 각각의 sensor 암과 상보적인 염기 서열을 가지는 assembly facilitator입니다.
Assembly facilitator에 의해 결합된 partzyme들은 비로소 substrate (기질)을 인식할 준비를 하게 됩니다.
이후, 일자로 준비되어 있던 substrate arm에 한쪽 끝에는 형광 물질이 반대쪽 끝에는 소광체가 붙어있는 기질이 결합하게 되면 절단 활성에 의해 핵산 (substrate)가 잘리게 되고 이에 따라 형광 물질과 소광체 사이의 거리가 멀어져 형광을 발생시킬 수 있게 됩니다.