Hydrodynamic Radius – Radius of Gyration

크기가 중요하다: 유체역학적 반지름 대 회전 반지름 (Rh vs Rg)

성공적인 C&EN 웨비나에 이어 단백질의 정성 및 정량 분석에 대한 블로그 시리즈의 두 번째 기사에 오신 것을 환영합니다.

이 블로그 시리즈에서는 청중이 제기한 흥미로운 질문들 중 일부를 다루고 있습니다. 오늘날 우리는 유체역학적 반지름(Rh)과 회전 반지름(Rg)의 차이, 그리고 이것이 단백질 특성화에 무엇을 의미하는지 살펴볼 것입니다.

분자의 크기를 설명하는 많은 매개변수 중에서 가장 일반적으로 사용되는 두 가지는 유체역학적 반지름(Rh)과 회전 반지름(Rg)입니다. 이 두 매개변수 모두 분자의 크기가 얼마나 작은지 혹은 큰지를 알려주지만, 크기 값을 얻는 방법은 서로 다르며… 아마도 혼란스러울 수 있지만, 이들의 결과는 동일하지 않으며, 어느 쪽도 틀린 것은 아닙니다!

동적 광산란으로 측정한 Rh는 관찰 중인 분자와 동일한 속도로 확산되는 등가의 단단한 구체의 반지름으로 정의됩니다. 실제로 단백질과 그 복합체의 용액은 단단한 구체로 존재하지 않으므로 결정된 유체역학적 반지름은 용매화되어 회전하는 분자가 채택한 명목상의 크기를 더 잘 반영합니다. 반면, Rg는 분자 코어에서 분자의 각 질량 요소까지의 질량 가중 평균 거리로 정의됩니다. 반지름이 10nm보다 큰 거대분자에 대해서는 Rg가 일반적으로 다각도 광산란을 사용하여 결정되며, 이는 다른 각도에서 산란된 빛의 강도 차이를 측정하는 기법에 의존합니다. 반경이 10nm보다 작은 분자는 알려진 대부분의 단백질이 해당되며 모든 각도에서 동일하게 빛을 산란 시킵니다(레이리 산란체) 때문에 각도 의존성을 나타내지 않습니다. 따라서 Rg는 이러한 방식으로 단백질에 대해 결정될 수 없습니다. 그러나 소각 중성자 산란(SANS) 및 소각 X선 산란(SAXS) 또는 고해상도 X선 구조를 사용하여 단백질 및 소분자의 Rg를 얻을 수 있습니다.

단백질과 그 복합체의 경우, Rg와 Rh는 항상 같은 크기 범위 내에 있게 됩니다. 그러나 이러한 크기 매개변수가 단백질 특성화에 미치는 의미는 무엇일까요? 

이 질문에 답하기 위해 우리는 단백질 특성화의 세 가지 주요 영역을 살펴봐야 합니다. 첫째로, 크기를 측정할 수 있는 능력은 준비물 내 단백질의 정체성과 올리고머 상태를 확인하는 간단한 방법을 제공합니다. 이는 단백질 생산 연구실에서 정제된 단백질의 관련 분획을 식별하거나 제제의 배치 간 일관성을 확인하기 위한 크기 스크리닝이 어떻게 구현될 수 있는지를 쉽게 보여줍니다.

둘째, 생물학적 과정은 용액에서 발생합니다. 따라서 단백질 연구 및 특성화에 대한 관심은 단백질 행태를 이해하고 궁극적으로 제어하는 데 확고하게 뿌리를 두고 있습니다. 용액에서 단백질의 행태를 이해한다면 다른 생체 분자, 약물, 그리고 서로 간의 상호작용을 예측할 수 있다고 믿어집니다. 이 정보를 한 단계 더 발전시켜 특정 결과를 가져오기 위해 단백질 용액을 조작하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들면 제제 개발이 그 예입니다. 이로부터 Rh가 환경 내에서의 단백질 크기를 고려하므로 생물학적으로 관련 있는 매개변수라는 것이 명확해집니다.

Rg와 Rh 모두 단백질 특성화의 세 번째 주요 영역인 구조를 파악하는 데 사용할 수 있습니다. Rg가 계산되는 방식은 그 자체로 관심 있고 분자의 구조에 약간 더 의존하는 값을 제공합니다. 그러나 Rg와 Rh의 비율(Rg/Rh) 자체가 단백질 분자의 형태 정보를 제공합니다. 구형 단백질의 특성적 Rg/Rh 값은 약 0.775이며, 이는 Rg가 Rh보다 작다는 것을 의미합니다. 그러나 분자가 구형에서 비구형이나 길쭉한 구조로 벗어날 때 Rg/Rh는 Rg가 Rh보다 커짐에 따라 0.775 이상의 값으로 향합니다.

실험적으로 Rg가 정적 광산란 기법을 통해 얻어질 수 없다는 것을 기억하는 것이 중요하며, Rh는 페린 이론을 통해 형태 정보를 얻을 수 있는 대안을 제공합니다.

요약하자면, Rg와 Rh 값은 서로 대신 사용되어서는 안 되며, 각각의 다른 관점을 제공하면서 가치를 부여합니다. 분자 크기 제공 정보의 가치를 넘어 분석 시간, 농도, 샘플 부피, 예산 등 측정 자체의 많은 요소를 고려해 사용자에게 진정한 가치를 제공해야 합니다.

곧 공개될 예정…

이 블로그 시리즈의 다음 기사에서는 응집점에 대해 자세히 설명하고, 어떻게 이것이 단백질과 생체치료제 제형의 안정성과 관련되는지 밝혀낼 예정입니다.