박테리오파지에서의 DNA 포장과 배출 이동 현상:거친 입자 고분자 모델을 이용한 전산 시뮬레이션

1일 전
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박정빈 | 한국교원대학교 화학교육과 조교수, cbpark@knue.ac.kr

서 론

바이러스는 지구상에서 가장 단순하면서도 가장 정교한 나노기계 중 하나이다. 특히, 이중가닥 DNA(dsDNA)를 유전체로 갖는 박테리오파지는 세균을 숙주로 삼으며, 그 감염 과정에서 물리화학적 현상이 수반된다. 박테리오파 지의 생활사는 크게 두 단계로 나눌 수 있다[그림 1(A), (B)]. 첫째, 복제 과정에서 수십 마이크로미터(μm)에 달하 는 유전체 DNA를 수십 나노미터(nm) 크기의 단백질 껍데 기인 캡시드(capsid) 안에 고밀도로 포장하는 단계(pack-aging)이다. 둘째, 숙주 세균에 부착한 후 포장된 DNA를 세균 세포 안으로 신속하게 방출(ejection)하는 단계이다.

DNA 포장 과정에서 DNA는 생리적 조건보다 훨씬 높은 밀도로 압축되어, 캡시드 내부 압력은 수십 기압(atm)에 이르게 된다. 이처럼 DNA 포장 과정이 완료된 후의 박테 리오파지의높은 내부 압력은 DNA 방출 과정의 주된 추 진력이 된다. 지난 20여 년간 박테리오파지DNA 포장·방 출 과정에 대한 다양한 실험 연구들이 수행되었다. 광학 집 게(optical tweezers)을 이용한 단일 분자 실험을 통해 모 터 단백질의 포장 힘(packaging force)의 측정이 가능해졌 고,¹ 극저온전자현미경(cryo-EM)을 통해 박테리오파지 내 부에서의 DNA의 형태 및 배열을 관찰할 수 있게 되었다. 그러나 DNA 포장 구조 및 포장·배출 동역학에 대한 분자 수준에서의 규명은 어려운 근본적인 실험적

따라서, 고분자 물리를 기반한 분자 동역학(Molecular Dy-namics) 시뮬레이션은 실험이 접근하기 어려운 분자 수준 의 구조와 동역학을 직접 관찰, 분석을 할 수 있는 강력한 이론적 도구이다.

본 총설은 바이러스의 전파 및 복제 과정과 관련된 DNA 의 포장과 방출 문제를 중심으로, 갇힌(confined) 환경에 서의 고분자 동역학을 다룬다. 먼저 박테리오파지 내 DNA 이동 현상의 비평형적 특성과 극도로 느린 구조 이 완(ultraslow relaxation) 현상을 소개하고, 이를 탐구하 기 위한 거친 입자(coarse-grained, CG) 고분자 모델의 이론적 기반을 설명한다. 이어서 캡시드 내부에 포장된 DNA의 다양한 3차원 구조를 살펴보고, 이러한 포장 구조 가 방출 동역학과 어떠한 긴밀한 상관관계를 갖는지 논의 한다.

본 론

1. DNA 포장 과정의 비평형 동역학과 갇힌 상태 DNA의 극 도로 느린 이완(Ultraslow relaxation)

DNA 포장 과정은 모터 단백질이 생성하는 외력에 의해 수행되는 비평형 동역학 과정이다. 광학 집게(optical tweezers) 실험을 통해 모터 단백질의 포장 힘을 측정한 결과, 포장된 DNA의 길이에 따라 그 힘이 크게 달라짐이 확인되었다[그림 2(A)].¹ 캡시드 내에 채워진 DNA의 길 이가 길어질수록 더 큰 포장 힘을 필요로 하는데, 이는 포 장이 진행될수록 높아지는 내부 압력을 극복하기 위함이 다. 이 분야에서 가장 중요한 실험적 발견 중 하나는 phi29 파지의 DNA 포장을 광학 집게로 실시간 관찰하면 서, 모터를 일시 정지 후 재시작하는 정교한 실험을 통해 이루어졌다.² 그 결과, 정지 시간이 길어질수록 재시작 후 의 포장 속도가 빨라짐이 관찰되었다. 이는 캡시드 내부 에 갇힌 DNA가 이완할 시간이 충분히 주어질수록 포장 과정의 효율이 높아짐을 의미하며, 이 시스템이 강한 비 평형 특성을 지님을 직접적으로 시사한다. 실제로 이완 시 간은 자유 용액 상태의 동일 길이 DNA보다 약 60,000배 이상 느린 것으로 측정되었으며, 이는 캡시드 내 극도로 밀집된 환경에서 사슬 간 배제 부피 효과와 위상학적 얽힘 이 분자 운동을 극단적으로 제한하기 때문이다. 따라서, DNA 포장 과정의 결과물인 내부 DNA 구조는 다양한 준 안정(metastable) 상태를 가질 수 있으며, 평형 구조에 도 달하지 못한 채 동결된 상태로 방출 과정에 이르게 된다.¹⁸ 이 ultraslow relaxation의 핵심 함의는 다음과 같다: 포장이 진행되는 수 초~수십 초의 시간 동안 DNA는 평 형 구조에 도달하지 못하므로, 포장 과정에 의한 결과가 그대로 내부 구조를 결정하며, 이 구조가 방출 시까지 유지된다. 이러한 비평형 효과를 관찰하기 위한 다양한 분 자 동역학 시뮬레이션 연구들이 수행되고 있다.

2. 거친 입자 고분자 모델을 이용한 박테리오파지 DNA 포 장 구조 시뮬레이션

고분자 물리를 기반한 분자 동역학(MD) 시뮬레이션은 실험이 접근하기 어려운 분자 수준의 구조와 동역학을 직

접 관찰할 수 있는 강력한 도구이다. 그러나 전원자(all-atom) 시뮬레이션으로는 수십 kbp의 DNA를 포함하는 박테리오파지 시스템을 생물학적으로 의미 있는 시간 규 모에서 다루는 것이 사실상 불가능하다[그림 3(A)]. 이 간 극을 메우기 위해 거친 입자 고분자 모델이 개발·발전되어 왔다[그림 3(B), (C)]. 이중 가닥 DNA는 지속 길이(persis-tence length, Lp) 약 50 nm(~150 bp)를 갖는 반강성 고 분자(semi-flexible polymer)이다.

포장 과정은 포털 반대편에서 DNA 사슬 끝을 포털 방향 으로 밀어 넣는 방식을 통해 박테리오파지의 모터 단백질 작용을 모사한다.⁹ 방출 과정은 포털을 개방한 후 내부 압 력에 의한 자발적 방출을 관찰한다.

캡시드 내 고밀도 압축 DNA의 평형 구조에 대해서는 오랫동안 이론적·실험적 논의가 이루어졌다. 초기 이론 연 구들^3,4,5,6은 DNA가 굽힘 에너지를 최소화하는 동축 스풀 (coaxial spool) 또는 역-스풀(inverse spool) 구조를 취 할 것이라고 예측하였다. 이 구조에서 DNA는 포털 축을 중심으로 동심원을 그리며 규칙적으로 감겨, 층층이 쌓인 스풀(spool-on-spool) 형태를 이룬다[그림 4(A)]. 실험 적으로는 cryo-EM을 통해 일부 파지에서 이러한 동심원 적 DNA 배열이 관찰되었으나,^7,8 구조의 완전한 규칙성은 파지 종류와 포장 조건에 따라 크게 달라진다[그림 4(B)]. 이론적으로 동축 스풀은 가장 낮은 자유 에너지를 갖는 평 형 구조이지만, 실제 포장 과정이 평형에 도달하지 못하 는 비평형 과정임이 점차 밝혀지고 있다. 특히, 박테리오 파지의 캡시드는 종류에 따라 구형(sphere), 정이십면체 (icosahedral), 그리고 늘어난 구조(elongated) 등 다양 한 형태를 가지며, 그 모양에 따라 내부 DNA 또한 다양한 구조를 갖게 된다.^9,10,11 캡시드 형태뿐만 아니라 포장 속 도, DNA 유연성, 이온 농도 등 다양한 조건에 따라 스풀 (spool), 토로이드(toroid), 무질서(disordered) 등 매우 다양한 내부 DNA 구조가 형성된다.^9,10,11

3. 포장 구조와 DNA 방출 동역학의 상관관계: 구조 재배열 (rearrangement)

박테리오파지에서의 방출 과정의 핵심은 갇힌 공간 내 에서의 구조 재배열이다. 방출 과정은 작은 구멍을 통해 고분자가 빠져나가는 과정이기 때문에, 제한된 공간 내에 서 구조 재배열이 필연적으로 동반되며 이 재배열의 속도 가 곧 방출 속도를 결정한다.

캡시드 내 DNA의 3차원 구조는 방출 동역학과 밀접한 상관관계를 갖는다. 메소스케일 시뮬레이션을 통해 캡시 드의 기하학적 형태가 dsDNA와 같은 반강성(semi-flex-ible) 고분자의 방출 속도에 미치는 영향이 분석되었다.¹⁰ 반강성 고분자의 경우, 구형 캡시드에서 타원체 캡시드보 다 방출이 더 빠르게 진행됨이 밝혀졌다[그림 5(A)]. 이는 타원체 캡시드에서는 고분자가 좁고 긴 공간에 갇혀 있어 방출 시 수반되는 내부 구조 재배열이 더 어렵기 때문이 다. 즉, 방출 속도는 열역학적 구동력뿐만 아니라 갇힌 공 간 내에서의 구조 재배열 용이성에 의해 결정되며, 이 결 과는 대부분의 파지가 구형 캡시드를 갖도록 진화한 이유 중 하나를 제시한다.

동일한 캡시드 형태에서도 내부 DNA의 배열 구조, 특

히 동축 스풀(coaxial spool) 구조 여부가 방출 동역학에 결정적인 영향을 미친다[그림 5(B)]. 동축 스풀 구조가 형 성된 경우, 방출이 포장 과정의 정확한 역방향으로 진행되 는 궤적 역추적(trajectory retracing) 메커니즘으로 인해 내부 구조 재배열이 최소화되어 방출 속도가 현저히 빨라 짐이 보고되었다.¹⁵ 반면 동축 스풀 구조가 형성되지 않은 경우에는 포털을 통해 빠져나가기 위해 이에 유리한 구조 로의 재배열이 반드시 수반되는데, ultraslow relaxation 으로 인해 이 재배열에 긴 시간이 요구되므로 방출 속도가 크게 느려지게 된다.

캡시드 내 DNA의 포장 구조는 전체적인 3차원 배열뿐 만 아니라 위상학적 구조(topological structure)의 차이 도 방출 동역학에 큰 영향을 미친다. 그 대표적인 예가 캡 시드 내부에서 형성되는 DNA 매듭(Knot)이다[그림 6(A)]. 극도로 밀집된 캡시드 환경에서 DNA는 위상학적 매듭을 쉽게형성하며, 파지 P4에서 방출된 DNA의 약 30%가 매 듭을 포함함이 실험적으로 확인되었다.¹² 매듭의 복잡도는 DNA 포장 밀도에 비례하여 증가하였다. CG 시뮬레이션 을 통해 캡시드 내 DNA-DNA 상호작용이 매듭 형성을 촉 진하는 주된 원인임이 제안되었으며,¹³ 매듭 구조를 갖는 DNA의 방출 속도가 크게 느려짐이 시뮬레이션을 통해 밝 혀졌다.¹⁷

한편 방출 동역학은 DNA의 서열 의존적 기계적 강성 (rigidity)과도 깊이 연결된다[그림 6(B)]. 람다 파지 DNA는 AT/GC 함량 분포의 불균일성으로 인해 두 절반의 굽힘 강성(bending rigidity)이 서로 다르다. AT 염기쌍 특이적 시각화 실험을 통해 3’말단과 5’말단이 각각 약 50%의 확 률로 먼저 방출될 수 있음이 확인되어, 기존의 LIFO(Last In First Out) 통설에 이의가 제기되었다. 또한 LIFO 경로 를 통한 방출 길이가 FIFO(First In First Out) 경로보다 일 관되게 더 길게 나타났으며, CG 시뮬레이션을 통해 이 차 이가 방출 방향에 따른 캡시드 내부 DNA의 강성 분포 차 이, 즉 내부 자유 에너지 차이에서 비롯됨이 밝혀졌다.¹⁴

결 론

본 총설에서는 박테리오파지 내 DNA 포장 및 방출 과정 을 중심으로, 갇힌 환경에서의 고분자 동역학에 관한 최근 연구 동향을 소개하였다. 이 시스템의 본질적 특징은 캡시 드 내 DNA의 ultraslow relaxation으로 인해 포장 과정 이 강한 비평형적 특성을 지니며, 포장된 DNA 구조가 방 출 시까지 그대로 유지된다는 점이다. CG 고분자 시뮬레 이션은 이러한 분자 수준의 구조와 동역학을 직접 탐구할 수 있는 강력한 도구임을 확인하였다.

핵심 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 캡시드의 기하 학적 형태는 내부 구조 재배열의 용이성을 결정하며, 반강 성 고분자인 dsDNA에 대해 구형 캡시드가 방출에 가장 유 리한 조건을 제공한다. 둘째, 가장 안정된 평형 구조인 동축 스풀이 형성된 경우, 궤적 역추적 메커니즘에 의해 구조 재배열이 최소화되어 방출이 현저히 가속된다. 셋째, 위상 학적 매듭 형성 및 DNA 서열 의존적 굽힘 강성 차이 또한 방출 동역학에 직접적인 영향을 미친다. 이는 방출 거동이 단순한 압력 구동 과정이 아니라, 포장된 DNA의 3차원 구 조에 의존하는 복잡한 비평형 동역학 과정임을 보여준다. 향후 연구 방향으로는 포털 단백질 모터의 능동적 역할을 포함한 더욱 정교한 모델의 개발, 기계 학습 기반 CG 포텐셜의 도입을 통한 정확도 향상, 그리고 전원자 시뮬레 이션과의 계층적 결합을 통한 다중 해상도 접근법의 확장 이 기대된다. 나아가 파지 치료(phage therapy)및 나노 약물 전달 시스템 개발에 있어 본 총설에서 논의된 분자 수 준의 통찰이 중요한 기초를 제공할 수 있을 것이다.

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