재조합 단백질은 바이오 의약품, 화학 및 식품과 같은 산업에서 활발히 사용되어 산업적으로 중요하다. 재조합 단백질을 생산하는 대량 배양 과정에서 세포는 다양한 스트레스에 노출된다. 이러한 스트레스는 세포 성장을 억제하고 재조합 단백질 생산을 감소시키며 재조합 단백질의 활성과 용해도를 더욱 감소시킨다.
분자 샤페론으로서 열 충격 단백질은 단백질 변성을 방지하고 변성된 단백질을 복구하며 초기 폴리펩타이드의 적절한 접힘을 돕는다. 이러한 기능을 통해 열충격 단백질은 스트레스 상황에서도 세포의 성장을 돕고 재조합 단백질의 생산과 활성을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 열충격 단백질은 재조합 단백질의 생산량과 활성을 증가시키는 데 이용될 수 있다. 그중에서도 식물은 땅에 뿌리를 내리고 사는 고착형 생물로서 주변의 스트레스 상황에 견디기 위해 가장 다양한 종류의 열충격 단백질을 보유는 방향으로 진화해 왔다. 이러한 특징을 고려해 보았을 때, 식물의 열충격 단백질이 대장균을 포함한 다른 생물의 열충격 단백질보다 더 잘 작용할 수 있다.
다양한 스트레스 조건에서 세포 성장을 향상시키기 위해 당근(Daucus carota L.) 유래 열충격 단백질인 DcHsp70 및 DcHsp17.7, 그리고 대장균 유래 열충격 단백질인 DnaK, IbpA, 그리고 IbpB를 대장균 BL21(DE3)에 pET 플라스미드 벡터를 이용하여 도입하였다. 이렇게 생산된 형질전환 균주의 다양한 스트레스 조건에서의 세포 성장률과 단백질 발현량 및 용해도를 확인하였다.
모든 스트레스 조건에서 열충격 단백질을 발현하는 모든 형질전환 균주에서 세포 성장과 단백질 발현량 및 용해도가 향상되었다. 열충격 단백질을 발현하는 형질전환 균주 중에서는 DcHsp17.7과 IbpA를 발현하는 세포주가 가장 우수한 향상 능력을 보였으며, 이는 여러 스트레스가 공존하는 대량 배양 공정에서 세포를 보조하는 데 스몰 열충격 단백질(sHsp)이 적합한 후보가 될 수 있음을 시사한다.
또한, Hsps가 시험관 내에서 재조합 효소의 활성을 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해 이종 열충격 단백질과 함께 처리된 재조합 알코올 분해효소를 사용하여 효소 활성 분석을 수행했다. 이종 열충격 단백질과 재조합 알코올 분해효소의 상호작용은 효소 활성을 최대 16.29배까지 증가시켰다 (DcHsp17.7, 37℃ 결과). 또한, 스몰 열충격 단백질 (DcHsp17.7 및 IbpA)과 열충격 단백질 70 (Hsp70)의 상호작용은 Hsp가 재조합 알코올 분해효소와 단일 처리되었을 때에 비해 재조합 알코올 분해효소의 활성을 증가시키는 것으로 나타났다.
마지막으로, 열충격 단백질이 재조합 알코올 분해효소의 변성을 막을 수 있는지 확인하였다. 재조합 알코올 분해효소와 DcHsp70을 50℃에서 90분 동안 함께 노출시키고 재조합 알코올 분해효소의 변성 정도를 측정하였다. 그 결과, DcHsp70과의 상호작용으로 인해 DcHsp70이 처리되지 않은 재조합 알코올 분해효소에 비해 응집된 분획이 최대 75% 감소했다.
이러한 결과는 이종 열충격 단백질의 발현이 산업 응용 분야에서 발생할 수 있는 스트레스 조건에서 세포가 생존하는 데 도움이 될 수 있으며 재조합 단백질과 열충격 단백질의 상호 작용이 재조합 단백질의 활성을 증가시킬 수 있음을 시사한다. 이러한 결과를 재조합 단백질 생산에 활용하면 재조합 효소의 수율과 활성을 증가시켜 효율적인 재조합 효소 생산에 기여할 수 있다.