바이오인

 

 

□ 국내 연구진이 빛을 이용하여 세포 내 특정 단백질의 기능을 원격 조정할 수 있는 원천기술을 개발하는데 성공했다.

o 광유도 분자올가미(LARIAT)*로 명명된 이 기술은 세포에 빛을 쬐어주었을 때 세포 내부에 순간적으로 단백질의 복합체인 올가미가 형성된다.

o 이 올가미를 이용하여 원하는 단백질을 움직이지 못하게 가둠으로써 특정 단백질의 기능을 차단하는 원리를 담고 있다.

* LARIAT : 본래 올가미 밧줄(동물을 잡기위해 한쪽 끝을 고리모양으로 묶은 밧줄)을 뜻하는 명사로 연구팀이 개발한 기술의 의미를 부여하여 LARIAT(Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap)라 표현함

o 연구진은 이 원리를 이용하면 세포분열을 인위적으로 막을 수 있고, 특히, 암세포 분열을 막을 수 있어 앞으로 암세포 연구 및 암 신호전달 연구에 유용하게 활용될 것으로 기대하고 있다고 밝혔다.

 

□ 이번 성과는 광유도 분자올가미 기술을 통해 세포의 이동, 세포분열 등의 중요한 생명현상들을 어떠한 약물 처리 없이 빛으로만 불활성화할 수 있고, 이 모든 과정들을 빛을 켜고 끔에 따라 매우 쉽고, 가역적으로 조절할 수 있다는 사실을 밝혀냈다는 점에서 획기적이다.

o 또한, 매우 다양한 종류의 단백질에 대해 실험한 결과, 같은 방법으로 쉽게 기능을 차단할 수 있다는 점을 밝혀 이 기술이 광범위하게 적용될 수 있다는 사실도 확인했다.

 

□ 지금까지는 동물모델에서 유전적 또는 약물처리 방법을 통해 연구하였으나, 발달과정에서 대상 동물이 죽거나 부작용이 발생하고, 특히 세포 내의 특정한 위치에서 단백질 기능을 조절할 수 없는 등 어려움이 있었다.

 

□ 이번 연구 결과는 네이처 자매지이자 생화학 연구방법 분야 세계 최고권위의 저널인 네이처 메소드(Nature Methods, IF 23.565) 6월호에 소개될 예정이다. (5월 4일 온라인 논문 게재)

 

* (논문제목) 광유도 분자올가미에 의한 단백질 기능의 가역적 저해방법 개발
(Reversible protein inactivation by optogenetic trapping in cells)

* (제1저자) IBS 인지 및 사회성 연구단 이상규 박사, KAIST 생명과학과 박혜림 박사과정생

* (교신저자) IBS 인지 및 사회성 연구단 허원도 그룹리더(KAIST 생명과학과 부교수)

o 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 신희섭)의 인지 및 사회성 연구단(단장 신희섭) 허원도 바이오이미징 그룹리더(KAIST 생명과학과 교수)* 연구팀에 의해 이루어 졌다.

* KAIST 생명과학과 교수임을 반드시 병기함(KAIST에서 별도 홍보를 하지 않음)

 

□ 허 교수는 2008년부터 식물광수용단백질을 이용한 광유전학(optogenetics)과 바이오이미징 분야의 다양한 원천기술 개발에 주력해 왔고, 2013년 IBS 인지 및 사회성연구단에 바이오이미징 그룹리더로 참여하면서 광유전학기술 개발에 박차를 가할 수 있게 되었다면서

o “현재 광유도 분자올가미 기술을 이용하여 여러 가지 동물 모델에서의 암 전이 및 뇌 과학 연구를 진행 중”인데, “궁극적으로 기존의 기술로는 밝히기 어려웠던 암 치료 방법이나 뇌의 복잡한 신경망 구조에서 신경세포의 기능 등을 규명하는데 획기적인 역할을 할 것”이라고 전했다.

o 허 교수는 6월에 LARIAT 기술 이외에 광유전학(optogenetics)분야의 2개의 다른 원천기술도 해외 유수의 저널에 발표할 예정이다.

 

 

 

 

 

 

세포 내의 수많은 단백질들은 복잡하고 거대한 네트워크상에서 각각의 특이적인 기능을 수행한다. 이렇게 다양한 단백질들의 기능을 규명하기 위해 그 동안 많은 연구자들은 유전적인 방법으로 단백질을 없애거나, 약물을 처리하는 방법 등을 사용하였으나 발달과정에서 동물 모델이 죽거나 부작용이 발생하기도 하며 세포 내의 특정한 위치에서의 단백질 기능을 조절 할 수 없는 등 여러 한계점들이 있었다.

 

이러한 한계점들을 극복하기 위해 본 연구에서는 빛으로 단백질의 기능을 저해하는 새로운 기술, 광유도 분자 올가미(LARIAT)를 개발하였다. 이는 청색 빛에 반응하는 식물 단백질의 상호작용과 다중체 단백질(multimeric protein)을 인간 세포에 적용하여, 세포에 빛을 쬐어 주었을 때 커다란 단백질 복합체(cluster)를 형성하고 복합체 내부에 원하는 특정 단백질을 가둠으로써 단백질의 기능을 저해하는 기술이다. 본 연구에서는 광유도 분자 올가미(LARIAT) 기술을 이용하여 세포의 분열, 성장, 이동 등에 관여하는 다양한 단백질들의 기능을 특이적으로 저해 할 수 있었다. 또한 빛을 쬐어주는 시간과 위치를 조절함으로써 특정 시간에, 세포내의 특정 위치에서의 단백질 기능을 저해 할 수 있었다.

 

광유도 분자 올가미(LARIAT) 기술은 단백질의 시·공간적, 가역적인 기능 저해를 통해 기존의 기술로는 밝히기 어려웠던 다양한 단백질들의 기능을 이해하고 더 나아가 뇌와 같이 복잡한 신경망의 구조로 형성된 인체의 기관에서 특정 부위의 세포 또는 단백질이 전체 기관의 기능에서 어떠한 역할을 담당하는 지 규명하는데 큰 도움을 줄 것이라 기대된다.

 

○ 생화학연구 방법(the category of Biochemical research methods) 분야에서 세계 최고의 권위를 인정받는 저널로 피인용지수(Impact Factor)는 23.565이다.

 

○ 식물은 광합성 등의 기능을 수행하기 위해 빛에 반응하는 단백질을 가지고 있으며, 본 연구에서는 애기장대(Arabidopsis thaliana)에 있는 크립토크롬2(Chryptochrome2) 단백질을 사용하였다. 크립토크롬2 단백질은 청색광에 특이적으로 반응하여 빛에 의존적으로 CIB1이라 불리는 짝 단백질과 상호작용 한다.

 

○ 여러 개의 소단위(subunit) 단백질들이 자가조립하여 형성된 단백질. 다중체 단백질은 그것을 구성하는 소단위 단백질에 의해 특이적인 구조와 기능을 가지고 있다.

 

○ 수많은 다중체 단백질들이 서로 연결되어 형성되는 단백질 복합체

 

○ 빛에 의존적으로 세포 내에 단백질 복합체를 형성하는 기술로서, 사용자는 세포에 빛을 쬐어줌으로써, 단백질 복합체 안에 특정 단백질을 가두어 기능을 저해할 수 있다. 이러한 반응은 빛을 켜고 끔에 따라 가역적으로 조절이 가능하며, 원하는 시간, 원하는 위치에서 마음대로 조절할 수 있다.

1. 광유도 분자올가미(LARIAT) 기술  

 

 

광유도 분자올가미(LARIAT) 기술은 다중체 단백질과 청색광에 반응하는 애기장대 식물의 광유도 단백질의 상호작용을 인간세포에 적용하여 빛에 의존적인 분자 올가미를 조립하고 원하는 단백질을 그 안에 가두어 기능을 저해하는 기술이다. 이 기술은 빛으로 원격 조정하여 몸 안의 원하는 부위에서 특정 단백질의 기능을 마음대로 조절할 수 있다.

 

광유도 분자올가미(LARIAT)는 원하는 시간과 위치에 빛을 쬐어줌으로써 특정 세포에서만(흰색 화살표) 단백질 복합체의 형성을 유도할 수 있다.

 

    

세포에 청색광을 쬐어 주어 특정 단백질의 기능을 저해하면 세포의 모양을 줄였다 늘였다 하며 조절할 수 있다.

 

                                        

세포에 특정 부위에만 빛을 쬐어주어 단백질의 기능을 지속적으로 저해하게 되면 세포의 이동 방향을 조절할 수 있다. 

 

                                      

미세관(microtubule)은 하나의 세포가 두 개로 분열하는데 중요한 역할을 수행한다. 빛을 쬐어줌으로 인해 미세관의 기능을 저해하게 되면 미세관과 염색체의 구조가 망가지면서 세포가 더 이상 분열할 수 없게 된다.