레실린

Resilin
1000Hz의 프레임률로 포획된 가재 평화 레니우스쿨루스의 최대치 박동
프로레실린
식별자
유기체드로소필라 멜라노가스터
기호레실린
Alt. 기호CG15920
유니프로트Q9V7U0

레실린은 많은 곤충과 다른 절지동물에서 발견되는 탄성 단백질이다. 그것은 기계적으로 활동적인 장기와 조직에 부드러운 고무탄력성을 제공한다. 예를 들어, 그것은 많은 종의 곤충들이 효율적으로 날개를 뛰거나 회전할 수 있게 해준다. 레실린은 Torkel Weis-Fogh에 의해 메뚜기 윙윙잉스에서 처음 발견되었다.

레실린은 현재 알려진 가장 효율적인 탄성 단백질이다(Elvin et al., 2005). 메뚜기 힘줄에서 격리된 레실린의 탄성 효율은 97%(저장된 에너지의 3%만 열로 손실)라고 보고되었다. 일정한 구조는 없지만 임의로 코일 처리된 체인은 적당한 간격에 di-tyrosine 링크와 tri-tyrosine 링크로 교차 연결돼 일부 점프 곤충의 길이(벼룩에서 발견된 것)를 최대 38배까지 이동시키는 데 필요한 탄성을 부여한다. 레실린은 성인 곤충의 일생 동안 지속되어야 하며 따라서 수억 개의 연장 및 수축 동안 작동해야 한다. 레실린은 곤충의 일생 동안 성능을 보장한다. 레실린은 물과 같은 극성 용매에서 부었을 때만 특이한 탄성 반응을 보인다.

2005년에는 대장균 박테리아에 있는 파리 유전자의 일부를 표현하여 파리 드로소필라 멜라노가스터의 레실린 단백질의 재조합형태를 합성하였다. 활성 연구들은 생물 의학 공학 및 의학에서 재조합 레실린의 잠재적인 적용을 조사하고 있다.

발생

용파리에서는 탄성 힘줄과 메뚜기에서는 날개 경첩에서 발견된 이후, 레실린은 절지동물의 많은 구조물과 기관에서 발견되었다.[1] 레실린은 흔히 곤충 큐티클에서 키틴과 합성물로 발견되는데, 여기서 키틴은 구조적인 요소로 작용한다. 레실린은 탄력과 다른 성질을 제공한다. 그것은 자객 벌레(Rodnius prolixus), 쐐기벌레, 꿀벌의 침엽수 펌프, 그리고 꿀벌 침으로 인한 독을 발산하는 펌프에 대한 메커니즘을 제공하는 저항성 펌프에서 발견되었다. 레실린은 또한 매미, 나방과 같은 절지동물의 소리 생산기관에서도 발견되었는데, 레실린의 높은 탄력과 높은 복원력 모두 음을 내는 대벌의 빠른 스트레스 해소 주기가 중요한 역할을 한다. 이 구조물들 외에도, 레실린은 절지동물의 운동 시스템에 가장 널리 존재한다. 날개 요소의 변형으로부터 회복하고 날개가 느끼는 공기역학적 힘을 축쇄하기 위해 날개 힌지에서 발견되었으며, 바퀴벌레와 파리의 보행 시스템에서 빠른 관절 변형을 용이하게 하고, 점프 메커니즘에서 레실린은 운동 에너지를 매우 효율적으로 저장하여 하역 시 방출한다. 흰개미, 개미, 벌의 복부를 둘러싼 큐티클에도 풍부하게 들어 있어 먹이와 번식을 하는 과정에서 크게 팽창하고 부풀어 오른다.[1]

레실린 성분

아미노산 성분

레실린의 아미노산 구성

레실린 내 아미노산 구성은 1961년 베일리와 토르켈 웨이스-포그가 메뚜기들의 팔과 날개 힌지 인대의 샘플을 관찰했을 때 분석되었다. 그 결과 레실린은 아미노산 성분에서 메티오닌, 히드록시프로라인, 시스테인 성분이 결핍된 것으로 나타났다.[2]

단백질순서

레실린은 레실린의 아미노산 성분과 유전자 제품의 유사성으로 인해 드로필라 멜라노가스터 유전자 CG15920의 산물로 확인되었다.[3] 드로소필라 멜라노가스터 유전자는 CG15920에서 4개 기능분할을 인코딩하는 4개의 엑손(신호 펩타이드)과 엑손 1, 2, 3이 인코딩하는 3개의 펩타이드로 구성된다.[4] 시그널 펩타이드는 프로레실린을 세포외 공간으로 안내하는데, 레실린 단백질이 모여 교차 연결돼 네트워크를 형성한 다음, 펩타이드와 단절시켜 나신성 레실린이 성숙한 레실린이 된다. From the N-terminal, segment encoded by exon 1 contains 18 copies of a 15-residue repeating sequence (GGRPSDSYGAPGGGN); segment corresponding to exon 2 contains 62 amino acids of the chitin-binding Rebers-Riddiford (R-R) consensus sequence (Pfam PF00379); exon 3 encoded peptide is dominated by 11 copies of a 13-residual repeating sequence (GYSGGRPGGQDLG). exon 1과 3의 농축 글리신과 프롤린은 단백질에 순환 구조를 도입하는 반면, tyrosine 잔차는 단백질 사이에 di-tyrosine과 tri-tyrosine 교차 링크를 형성할 수 있다.

이차구조

레실린 작용기전

레실린은 흐트러진 단백질이다. 그러나 레실린은 다른 조건에서 2차 구조를 취할 수 있다. exon 1에 의해 인코딩된 펩타이드 시퀀스는 구조화되지 않은 형태를 보이며 결정화될 수 없어 펩타이드 시퀀스 세그먼트가 매우 부드럽고 유연하다는 것이 밝혀졌다. 엑손 3 인코딩 펩타이드(Exon 3 인코딩 펩타이드)는 적재 전 구조화되지 않은 형태를 취하지만, 일단 스트레스가 가해지면 순서가 정해진 베타턴 구조로 변형된다. 한편, exon 2에 의해 인코딩된 세그먼트는 키틴 바인딩 도메인의 역할을 한다.[4] 스트레스를 가하거나 에너지 입력이 있을 때 exon 1 인코딩 펩타이드의 높은 유연성으로 인해 즉시 반응할 것을 제안한다. 일단 이런 일이 일어나면 에너지는 구조화되지 않은 형태에서 베타-턴 구조로 변형되어 에너지를 저장하는 exon 3 인코딩된 펩타이드에 전달된다. 일단 스트레스나 에너지가 제거되면, exon 3 인코딩된 세그먼트는 구조 변환을 역전시키고 그 에너지를 exon 1 인코딩된 세그먼트로 출력한다.[4]

2차 구조 exon 1과 exon 3 해당 펩타이드들이 취할 수 있는 또 다른 2차 구조는 이 두 세그먼트에서 polyproline helix (PPII)이다. PPII 구조는 유괴, 엘라스틴, 티틴과 같은 탄성 단백질에 널리 존재한다.[5] 자가조립 과정과 단백질의 탄력에 기여할 것으로 생각된다.[4] 레실린의 탄성 메커니즘은 엔트로피와 관련된 것으로 제안된다. 이완된 상태에서는 펩타이드(펩타이드)를 접고, 엔트로피가 크지만, 한 번 뻗으면 펩타이드(펩타이드)가 펼쳐지면서 엔트로피가 감소한다. PPII와 베타 턴의 공존은 레실린이 그것의 흐트러진 형태로 돌아오면서 엔트로피를 증가시키는 중요한 역할을 한다.[6] PPII의 다른 기능은 자가 조립 과정을 용이하게 하는 것이다: 준확장 PPII는 분자간 반응을 통해 상호작용할 수 있고, 섬유질 분자구조의 형성을 개시할 수 있다는 것이 밝혀졌다.[6]

계층 구조

2차 구조는 아미노산 사이에 형성된 에너지 상태와 수소 결합에 의해 결정되는 반면, 계층 구조는 펩타이드의 친수성에 의해 결정된다. 엑손 1 인코딩 펩타이드의 경우 주로 친수성이 강하며, 물에 담그면 더욱 확장된다.[7] 이와는 대조적으로 exon 3 인코딩된 펩타이드에는 소수성 블록과 소수성 블록이 모두 포함되어 있어 마이크로셀의 형성을 시사하며, 마이크로셀은 소수성 블록을 둘러싼 친수성 부분과 함께 내부에 군집하게 된다.[7] 따라서, 하나의 완전한 레실린 단백질은 물에 담글 때, 엑손 1 인코딩된 세그먼트가 마이크로엘 엑손 3 인코딩된 펩타이드 형태에서 확장되는 구조를 취한다.[7]

일단 레실린이 세포 바깥으로 전달되면, 그들의 엑손 2 인코딩된 펩타이드, 키틴 결합 부분은 키틴과 결합한다.[1] 한편, tyrosine 잔차 사이에 peroxidase로 매개된 산화 결합에 의해 di- 또는 tri-tyrosine 크로스링크가 형성된다.[1] 다른 탄성 단백질과 마찬가지로 레실린 내 교차연결 정도가 낮아 강성이 낮고 복원력이 높다. exon 1에 의해 인코딩된 교차연계 펩타이드의 복원력은 93% 이상인 반면, exon 3에 의해 인코딩된 펩타이드의 복원력은 86%이다. 또한 천연 레실린은 엑손 1과 비슷한 92%의 복원력을 가지고 있어 엑손 1이 레실린의 탄성 성질에 더욱 중요한 역할을 할 수 있음을 다시 한번 시사한다.[4]

레실린 내 티로신 잔류물

안데르센은 1996년 티로신 잔류물이 디트로신, 트라이트로신, 테트라티로신 등 여러 형태의 화학적 공밸런스 크로스링크에 관여한다는 사실을 발견했다.[8] 주로, 레실린, 티로신, 디트로신에서 화학적 크로스 링크 역할을 했는데, 이 링크에서 티로신과 디트로신의 R 그룹이 성장하는 펩타이드 체인의 등뼈에 추가된다.[1] 안데르센은 이황화 교량, 에스테르 그룹, 아미드 결합과 같은 다른 형태의 교차 연결을 배제할 수 있는 이 두 화합물을 포함한 연구에 기초하여 이러한 결론을 내렸다.[1] 비록 타이로신의 교차연계의 메커니즘이 급진적인 시작을 통해 일어나는 것으로 이해되지만, 레실린의 교차연계는 여전히 미스터리로 남아 있다. 레실린의 교차 연결은 매우 빠르게 발생하며 이것은 아마도 온도의 결과일 것이다. 온도가 상승할 때 잔류물의 교차연결 비율이 증가하여 교차연결이 높은 레실린 네트워크로 이어진다.[1]

레실린의 아미노산 성분은 프롤라인과 글리신이 레실린의 아미노산 성분에 비교적 높은 존재감을 가지고 있음을 나타낸다. 레실린 구성에서 글리신과 프롤린이 존재한다는 것은 레실린 탄성에 크게 기여한다.[9] 그러나 레실린은 임의의 코일 구조와 질서 정연한 구조로 이어지는 알파헬릭스의 부재를 가지고 있다.[10] 이것은 주로 레실린에서 프로라인 함량이 상당히 높기 때문이다. 프롤린은 부피가 큰 아미노산으로 펩타이드 체인을 꼬이게 하는 기능이 있으며, 강직하게 방해되는 사이드 체인으로 인해 알파헬리케인에 맞지 않는다. 그러나, 레실린 분절은 다른 조건에서 2차 구조 형태를 취할 수 있다.

특성.

다른 바이오 물질과 마찬가지로 레실린은 하이드로겔로, 물과 함께 부어 있다는 뜻이다. 중성 pH에서 레실린의 수분 함량은 50~60%이며, 이 물의 부재는 재료의 성질에 큰 차이를 만들 것이다. 수성 레실린은 고무처럼 작용하지만, 탈수된 레실린은 유리성 고분자의 성질을 가지고 있다.[1] 그러나, 탈수된 레실린은 물을 사용할 수 있다면 고무상태로 돌아갈 수 있다. 물은 수소 결합의 양을 증가시킴으로써 레실린 네트워크에서 가소제 역할을 한다.[4] 프로라인과 글리신, 폴리프로라인 나선, 친수성 부위의 고농축은 모두 레실린 단백질 네트워크에서 수분 함량을 증가시키는 역할을 한다. 수소 결합의 증가는 체인 이동성의 증가로 이어져 유리 전환 온도를 떨어뜨린다. 레실린 네트워크에서 수분 함량이 많을수록 재료의 뻣뻣함과 탄력성이 떨어진다. 탈수된 레실린은 경직성, 변형률, 복원력은 낮지만 압축성 계수와 유리 전이온도는 상대적으로 높은 유리 고분자 역할을 한다.[1]

레실린, 엘라스틴과 같은 단백질과 같은 고무는 높은 복원력과 낮은 뻣뻣함, 큰 변형력을 바탕으로 한 것이 특징이다.[11] 높은 복원력은 충분한 양의 에너지 입력이 물질에 저장되고 그 후에 방출될 수 있음을 나타낸다. 에너지 입력의 예로는 재료를 스트레칭하는 것이다. 천연레실린(수화물)은 복원력이 92%로, 하역 시 방출할 에너지 입력의 92%를 저장할 수 있어 에너지 전달 효율이 매우 높은 것으로 나타났다. 레실린의 뻣뻣함과 긴장감을 더 잘 이해하기 위해서는 훅의 법칙을 고려해야 한다. 선형 스프링의 경우, 후크의 법칙에 따르면 스프링의 변형력에 필요한 힘은 스프링의 특징인 상수에 의한 변형량에 정비례한다. 물질은 제한된 힘으로 크게 변형될 수 있을 때 탄성으로 간주된다. 하이드레이트 레실린은 640-2000kPa의 인장계수, 600~700kPa의 비정합압계수, 300%[4]의 균열을 가진다.

표 1: 수화 및 탈수 리사이틴의 특성
특성. 하이드레이트 레실린 탈수된 레실린
탄성계수 588kPa -
압축 계수 600-700kPa 10,200 ± 2% kPa [4]
인장계수 640-2000 kPa [4] -
인장 강도 4MPa [4] -
최대 변형률 300% [4] -
복원력 92% [4] -
Tg° <37℃ [4] >180℃ [4]

레실린의 피로 수명에 대해 획득한 실제 데이터는 없지만, 우리는 직관적으로 이것에 대해 생각할 수 있다. 만약 우리가 꿀벌이 하루에 8시간을 날며 72만 사이클/h로 날개를 퍼덕이는 동안 약 8주 동안 사는 경우를 고려한다면, 꿀벌은 3억 배 이상 날개를 퍼덕거릴 가능성이 있다[9]. 레실린은 곤충의 전체 수명에 걸쳐 기능하므로 피로 수명은 상당히 커야 한다. 그러나 살아있는 곤충에서는 레실린 분자가 끊임없이 생산되고 대체될 수 있기 때문에 우리의 결론에 오류가 생긴다.

재조합레실린

초기 연구

레실린의 놀라운 고무 탄성 때문에 과학자들은 다양한 재료와 의료 용도에 대한 재조합 버전을 연구하기 시작했다. DNA 기술의 발달과 함께, 이 연구 분야는 특정한 기계적 성질을 가지는 것에 동조할 수 있는 생합성 단백질 폴리머의 합성이 급속도로 증가하고 있다. 따라서, 이 연구 분야는 오히려 유망하며, 인구에 영향을 미치는 질병과 장애를 치료하는 새로운 방법을 제공할 수 있다. 레실린 재조합은 2005년 드로필라 멜라노가스터의 CG15920 유전자의 첫 엑손에서 대장균으로 발현되면서 처음 연구됐다.[12] 연구 기간 동안 순수 레실린은 20% 단백질-질량 하이드로겔로 합성되었고, 자외선이 있는 곳에서 루테늄-카테리늄-타이로신(Tyrosine)과 교차연계되었다.[12] 이 반응으로 재조합 레실린(rec1-Resilin)이라는 제품이 나왔다.[12]

rec1-Resilin 합성에 성공하는 가장 중요한 측면 중 하나는 그것의 기계적 특성이 원래의 레실린(native resilin)의 그것과 일치한다는 것이다. 위에 제시된 연구에서는 탐침 현미경(SPM)과 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 rec1-Resilin과 네이티브 레실린의 기계적 특성을 조사하였다.[1] 이러한 테스트의 결과는 재조합과 토종 리실린의 복원력은 비교적 비슷하지만 그 용도에 따라 다를 수 있다는 것을 보여주었다.[1] 이 연구에서, rec1-Resilin은 세포와 조직 반응을 생성하기 위해 세포외 기질을 모방하기 위해 고분자 비계에 배치될 수 있다. 이 연구 분야는 아직 진행 중이지만, 과학계에 폭넓은 관심을 불러일으켰고, 현재 조직 재생과 보수 분야에서 다양한 생물학적 응용에 대해 조사를 받고 있다.

재조합 레실린 형광법

rec1-Resilin의 한 가지 독특한 특성은 자동유동성으로 인해 식별되는 능력이다. 레실린의 형광은 주로 티로신 잔여물의 교차 연계의 결과인 디트로신에서 유래한다. 자외선이 rec1-Resilin 샘플을 315 nm에서 409 nm의 방출로 조사하면 rec1-Resilin은 파란색 형광을 보이기 시작한다.[12] 레실린에 있는 디트로신 잔해물에 의해 나타나는 푸른 형광의 예는 벼룩 아래의 그림에 나타나 있다.

리사이신 패드를 보여주는 세부 정보가 포함된 벼룩의 CSIRO 이미지

복원력

레실린의 또 다른 독특한 특성은 높은 복원력이다. 재조합 레실린은 순수 레실린과 유사한 우수한 기계적 특성을 보였다. Elvin 외 연구진은 rec1-Resilin의 복원력을 사용한 스캔 프로브 현미경인 다른 고무와 비교하는 것을 목표로 했다. 본 연구는 rec1-Resilin의 복원력을 두 가지 다른 종류의 고무인 클로로부틸 고무와 폴리부타디엔 고무와 비교했는데, 두 고무 모두 복원력 특성이 높은 고무였다.[12] 본 연구는 rec1-Resilin이 클로로부틸 고무 56%, 폴리부타디엔 고무가 80%에 비해 92%의 탄력성을 보였다고 결론지었다.[12] 이처럼 높은 기계적 복원력으로 rec1-Resilin의 성질을 재료공학 및 의학 분야 내 다른 임상적 용도에 적용할 수 있다. 재조합 레실린에 대한 이 연구는 레실린의 기계적 특성을 유지하는 몇 가지 생물의학 용도에 단백질과 같은 레실린을 사용하는 것에 대한 몇 년 간의 연구를 이끌어냈다. 재조합 레실린과 관련된 연구의 지속적인 결과는 다른 미개척 기계적 특성 및 레실린의 화학적 구조를 조사할 수 있는 추가 연구로 이어질 수 있다.

임상적 응용

재조합 레실린은 바이오의학 공학 및 의학 분야에서 잠재적인 응용을 위해 연구되어 왔다. 특히 재조합형 레실린으로 구성된 하이드로겔은 심혈관계, 연골조직, 성대조직 등 기계적으로 활동하는 조직을 위한 조직공학 비계로 활용돼 왔다. 초기 작업은 이러한 물질의 기계적 특성, 화학성 및 세포질 적합성을 최적화하는 데 초점을 맞추었으나, 레실린 하이드로겔의 생체내 테스트도 일부 수행되었다.[13] 델라웨어대와 퍼듀대 연구진은 줄기세포와 호환성이 있는 레실린으로 구성된 탄성 하이드로겔을 만드는 방법을 개발해 천연 레실린과 비슷한 고무탄력을 보였다.[14][15][16][17] 폴리(에틸렌 글리콜)를 첨가한 반합성 레실린 기반 하이드로겔도 보고됐다.[18]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l Deming T (2012). Peptide-Based Materials. Springer Publishing.
  2. ^ Neurath H (1966). The Proteins Composition, Structure, and Function. Academic Press Inc.
  3. ^ Ardell DH, Andersen SO (September 2001). "Tentative identification of a resilin gene in Drosophila melanogaster". Insect Biochemistry and Molecular Biology. 31 (10): 965–70. CiteSeerX 10.1.1.20.4948. doi:10.1016/s0965-1748(01)00044-3. PMID 11483432.
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외부 링크