익히 알고 있다시피 인간이 활용하는 아미노산은 20개로 알려져있고, 극성, 비극성, 양전하, 음전하 등을 가지고 분류해서 풀네임, 세 단어 약어, 한 단어 약어로 외워보셨을 것이다. 수가 한정적이니 이렇게 할 수 있는 것인데, 생각보다 이렇게 제한적인 아미노산을 가지고 인체는 지금까지 살아남았다.
생화학 연구 기술이 발전하게 되면서, 어느 정도의 아미노산을 중간 중간에 끼워넣는 연구에 이르게 되었는데 이런 연구는 기존에 존재하는 아미노산에서 기존에 존재하는 다른 아미노산으로 바꾸는 식의 연구였다. 가령 여러 논문에서 mutant를 만들 때 Y496L 이렇게 언급되는 경우가 있는데, 496번째 아미노산인 Y를 L로 바꿨다는 의미가 되는 식이다. 아미노산이 바뀌면 그 주변 환경이 바뀌기에 folding이 바뀌고 단백질의 기능이 달라지는 것을 유도하는 방법이다.
최근의 화두 중에 하나는 기존에 존재하는 아미노산 말고 완전히 새로운 아미노산을 도입해서 새로운 기능을 하는 단백질을 만들 수 있지 않을까? 하는 것이다. 그렇다면 완전히 새로운 아미노산, 20가지의 아미노산이 아닌 21, 22번째 아미노산을 어떻게 도입할 수 있을까?
이를 위해선 기존에 어떻게 단백질이 만들어지는지 되새겨 볼 필요가 있다. 인체에서 쓰는 염기 쌍들은 세 개의 염기가 짝을 이뤄서 codon이라는 단위체를 만들게 된다. 이 codon은 가령 UAG, UUG 등 으로 나타낼 수 있는데, 각 자리에 4개의 염기 (A, U, G, C)가 들어가게 되어 4^3=64 가지의 서로 다른 codon을 나타낼 수 있다. 과학자들이 확인해 본 결과 64개의 codon은 서로 다른 codon이더라도 같은 아미노산을 소환하는 능력을 가지고 있었다. 가령 UUU와 UUC는 같은 페닐 알라닌(Phe)를 소환하는 식이다.
그리고 과학자들은 또 한 가지 흥미로운 사실을 발견했는데, 64개 중 세 개의 codon은 아무 아미노산을 소환하지 않고 오히려 아미노산이 더 붙지 못하게 하는 stop codon의 역할을 한다는 것이다. 그래서 RNA 주형을 따라 읽으면서 음..알라닌..음..페닐알라닌..하다가 앗 stop codon이네! 하고 단백질 합성을 멈추는 식으로 진행된다는 것이다.
과학자들은 이 stop codon에 주목했다. 그 중에서도 거의 사용되지 않는 stop codon인 UAG codon을 선택했다. Amber는 발견한 과학자의 친구(?)이름을 따서 붙였다고한다. amber는 stop codon이 stop codon 대신 다른 아미노산을 소환하게 바꿀 수 있다면 여기서 음..새로운 아미노산! 하고 새로운 아미노산을 갖다 붙일 수도 있지 않겠는가? 이 새로운 아미노산을 Unnatural Amino Acid, UAA 라고 부른다. 이 UAA의 도입을 위해선 몇 가지 장치가 같이 동반되어야 했는데, tRNA와 tRNA synthetase이다. tRNA는 해당하는 아미노산을 RNA 코드를 읽으면서 갖다주는 역할을, tRNA synthetase는 아미노산을 앞선 아미노산에 이어 붙여주는 역할을 한다는 것을 상기해보면, 이들이 같이 바뀌어야 함을 이해할 수 있을 것이다.
자, 그러면 stop codon을 인식하는 tRNA가 기존 stop codon으로 인식하면 안되고 새로운 아미노산 (UAA)를 페어링해서 갖다 붙여줘야 할 것이다. 적절히 mutant를 만들어서 UAA, tRNA, 그리고 이 tRNA를 인식할 새로운 tRNA synthetase를 외부에서 만들어서 주입해준다. 이는 기존 생물에 있었던 tRNA나 tRNA synthetase면 그대로 stop codon으로 인식할 것이므로 연관 없는 생물의 tRNA, tRNA synthetase를 가져온다. 이를 bioorthogonal 하다고 한다.
이렇게 만든 UAA, tRNA, tRNA synthetase를 주입하여 selection, counter selction 등을 통해 복제하게 되면 stop codon 대신에 새로운 UAA를 넣고 만든 단백질을 확인할 수 있을 것이다! 실제로 이 개념을 이용해서 여러가지 UAA를 도입한 연구가 있는데, fluorophore를 통해서 형광을 나타나게 할 수도 있고, metalloprotein의 metal binding affinity를 바꿔서 다른 metal ion이 결합하게 만든 연구도 있다.
혹은 온도에 더 저항성이 높은(높은 온도에서 더 잘견디는) protein을 만든 결과를 보여주기도 했다. 굉장히 흥미로운 결과가 아닐 수 없다. 인체에 직접 적용하기엔 이르더라도, 다른 동식물에 적용하면 훨씬 기능적으로 우수한 개체들이 많이 만들어질 수 있을 것이란 기대가 되는 연구분야이다!