바이오인

핵심내용

생체 탐침의 고효율 형광증폭 기술 개발

- 생명현상탐구를 위한 다양한 분자영상물질의 발굴 기대 -

□ 생체 내 약물‧단백질의 위치를 추적하는 탐침(probe)의 효율이 획기적으로 향상되어, 생체 고분자의 영상화 수준을 높일 것으로 기대된다. 박승범 교수(서울대학교), 김은하 교수(아주대학교) 연구팀이 다양한 파장의 빛을 발산하는 형광증폭 생물직교프로브* 설계 기술을 개발했다고 한국연구재단(이사장 조무제)은 밝혔다.
    * 형광증폭 생물직교프로브 : 생체 내에서 표적과 선택적 화학 결합을 하여, 표적의 위치를 증폭된 형광 신호로 영상화 할수 있는 분자 물질

□ 생물직교프로브는 생체 내부로 투입된 표적물질과 결합하여 형광을 나타냄으로서, 표적의 위치를 추적하는 데 활용된다. 주로 테트라진(tetrazine) 분자와 형광분자가 연결된 형태로서, 테트라진이 표적물질과 빠른 화학반응을 일으키면서 화학구조가 변형되고, 형광 신호가 증폭된다.

□ 그러나 형광분자의 에너지가 테트라진으로 전달되면서 형광빛이 소멸되기 때문에, 기존의 형광체와 테트라진 구획을 구분하는 방식으로는 생체 내 광투과율이 우수하다고 알려진 장파장 영역에서 형광증폭 효율이 감소하는 것을 막지 못했다.

□ 연구팀은 기존의 형광체-테트라진 구획화 방식에서 벗어나서 형광체-테트라진 분자단일화라는 새로운 접근방법을 제시했고, 이를 통해 형광 파장의 영역에 관계없이 1000배 정도 높은 효율로 형광 신호를 증폭시켰다.

  ㅇ 연구팀은 형광 파장의 조율과 예측이 가능한 형광분자를 독창적으로 개발하여 ‘서울플로어(Seoul-Fluor)’라고 명명하고, 이를 통해 다양한 파장에서 활용될 수 있는 새로운 형광증폭 생물직교프로브를 발굴하였다. 개발된 물질은 세포 미세소관 및 미토콘드리아를 관찰하는 형광 이미징에도 성공하였다.

□ 박승범 교수는 “이 연구의 전략을 통하여 서울플로어 뿐만 아니라 다양한 형광체를 기반으로 장파장 영역에서도 우수한 형광증폭 효율을 갖는 생물직교프로브를 개발할 수 있을 것”이라며, “특히 발현양이 적어 관찰이 어려웠던 생체 내 표적들을 선택적으로 추적할 수 있는 유용한 형광영상물질로 활용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업(리더연구자), 바이오·의료기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 화학분야 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 표지논문으로 1월 24일 자에 게재되었다.

□ 논문명

논문명 : Monochromophoric Design Strategy for Tetrazine-Based Colorful Bioorthogonal Probes with a Single Fluorescent Core Skeleton

□저  자
박승범(교신저자, 서울대학교 화학부 교수),
김은하(공동교신저자, 아주대학교 분자과학기술학과 조교수),
이영준(제1저자, 서울대 화학부 박사과정생)

상세내용

연구개요

 1. 연구의 필요성

  ○ 테트라진* 분자는 두 가지 중요한 화학적 특징을 지니고 있다. 하나는 표적 물질과 빠른 생물직교반응*을 일으킬 수 있는 화학 반응성을 지닌다는 점이고, 다른 하나는 형광 분자에 연결하였을 경우 형광 신호를 감소시키는 형광 소광제*의 역할을 할 수 있다는 점이다.
     * 테트라진(tetrazine) : 네 개의 질소 원자를 포함하는 방향족 육각 고리 화합물
     * 생물직교반응(bioorthogonal reaction) : 생리학적 환경에서 일어나는 화학 반응으로써, 생체 내 고유 분자들과는 반응을 일으키지 않으면서 외부에서 투입된 파트너끼리만 선택적으로 일어나는 화학 반응. 대표적 예시, 클릭(click)반응
     * 형광 소광제(fluorescence quencher) : 형광 물질과 연결되어 형광 신호를 감소시키는 물질로써, 형광 물질로부터 흡수한 들뜬 에너지를 빛의 형태가 아닌 열 방출과 같은 과정을 거쳐 소진하는 화학 물질

  ○ 테트라진과 형광 분자를 연결시켜 만든 생물직교프로브의 작동 원리는 표적물질과의 반응 전에는 형광 신호가 꺼져 있지만, 표적물질과의 선택적인 생물직교 결합 반응이 일어나면 테트라진 분자의 화학 변형이 일어나면서 동시에 형광 신호의 증폭이 발생한다. 따라서 복잡한 처리과정 없이 관찰하고자 하는 생체 내 표적들의 위치를 증폭된 형광 신호로 알려주는 첨단 영상물질로 학계의 큰 주목을 받고 있다. 이에 따라 2010년 이후로 세계 유수 연구팀에 의해 활발히 연구가 진행 중이다.

  ○ 기존에 개발된 형광증폭 생물직교프로브들은 형광 분자와 테트라진을 전자적으로 분리시킨 후, 형광 분자의 들뜬 에너지를 소광제인 테트라진 분자 쪽으로 넘기는 에너지 전달(energy-transfer) 방식을 통해 프로브의 소광을 유도하였다. 하지만 이 방식으로 제작된 프로브들의 한계점은 생체 내 광투과율이 우수하다고 알려진 장파장 영역에서 형광증폭 효율이 크게 감소한다는 점이었다.

  ○ 박승범 교수팀은 기존의 생물직교프로브 디자인 방식이었던 형광체-테트라진 구획화 방식*에서 벗어나 형광체와 테트라진 소광제의 분자단일화 방식*을 제시하였고, 파장에 관계없이 1000배 정도의 높은 효율로 형광 신호가 증폭되는 새로운 생물직교프로브들을 발굴하였다.
     * 형광체-소광제 구획화 방식(bichromophore type) : 형광체와 소광제 사이의 π-전자 공유를 끊어 놓은 구조적 형태를 지님. 형광체(에너지 주개)의 들뜬 에너지를 소광제(에너지 받개) 쪽으로 전달하는 방식을 통해 형광체의 형광 신호를 소광시킴
     * 형광체-소광제 분자단일화 방식(monochromophore type) : 형광체와 소광제를 인접한 한 평면으로 연결시켜 두 분자의 π-전자를 단일분자 형태로 공유할 수 있도록 디자인 된 시스템. 구획화 방식과는 달리 에너지 주개-받개의 구분이 없으며 소광제의 비전자기복사 능력을 활용하여 빛이 아닌 형태로 흡수된 에너지를 소진시킴

 2. 연구내용

  ○ 서울플로어* 물질을 활용한 체계적인 비교군 제작
   - 박승범 교수 연구팀은 기존 보고된 생물직교프로브의 디자인 방법과 본 논문에서 제시한 디자인 방법을 체계적으로 비교해 보고자 연구팀에서 자체 개발한 서울플로어 형광 물질을 활용하였다. 서울플로어는 전 가시광선 영역에서 형광 파장의 조율과 예측이 가능한 형광 분자로써, 간단한 구조적 변형을 통해 체계적인 비교군을 제작하기에 최적의 구조체이다. 다섯 가지 생물직교프로브의 비교군들을 합성하여 형광증폭 효율을 비교해 본 결과, 본 연구에서 새롭게 제시한 분자단일화 방식의 SFTz02 물질에서 가장 우수한 형광증폭 효율이 나타남을 확인할 수 있었다.
     * 서울플로어(Seoul-Fluor) : 2008년 서울대 박승범 교수 연구팀을 통해서 처음 보고된 인돌리진 기반 형광 분자 시스템으로 형광 파장의 조율과 예측, 형광 양자수율의 예측이 가능한 독특한 저분자 유기형광 물질

  ○ 분자단일화 방식을 통한 다양한 파장에서의 형광증폭 생물직교프로브 디자인 및 합성
   - 서울플로어의 독특한 형광파장 조율 방식을 이용하여 파란색, 초록색, 노란색, 오렌지색을 갖는 네 가지 생물직교프로브들을 분자단일화 디자인 방식을 통해 합성하였다. 그 결과, 분자단일화 방식을 통해 제작된 네 가지 프로브들은 파장 영역에 관계없이 모두 높은 형광증폭 효율을 갖는 물질임을 확인할 수 있었다. 이는 기존의 형광체-테트라진 구획화 방식이 가지고 있었던 가장 큰 제한점인 장파장에서의 형광증폭 효율 감소문제를 극복한 주목할 만한 연구 성과이다.

  ○ 생체 내 단백질 및 세포소기관을 관찰하는 탐지자 물질로 사용
   - 개발된 생물직교프로브들을 살아있는 세포의 미세소관과 미토콘드리아를 관찰하는 형광 탐지자 물질로 활용하였다. 이를 통해 다양한 형광 파장 영역에서 모두 우수한 형광 이미지를 확보할 수 있음으로서 다원동시 이미징 (multiplex imaging)으로 활용이 가능하다는 점을 증명할 수 있었다.

 3. 연구성과/기대효과

  ○ 이번에 개발한 서울플로어 기반 생물직교프로브는 우수한 세포 투과성을 지니며 높은 형광증폭 효율을 갖기 때문에 다양한 생체 표적들을 추적할 수 있는 다색(multicolor) 형광 프로브로 즉각 활용될 수 있을 것이다.

  ○ 본 연구에서 새롭게 제시한 분자단일화 방식을 통한 생물직교프로브의 개발이 다양한 형광 분자에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 분자 내 전하이동 (internal charge transfer) 특징을 지니고 있는 수많은 형광 분자들에서 특히 효과적으로 적용될 것으로 기대된다.

  ○ 장파장 영역 ( 〉600 nm) 은 광투과율이 우수하고 생체 고분자와의 신호 겹침이 적기 때문에 세포 이미징에 적합한 파장 영역으로 알려져 있다. 본 연구를 기점으로 다양한 장파장 영역의 형광증폭 생물직교 프로브들의 개발이 진행될 것으로 기대되며, 이는 기존에 발현양이 적어 관찰하기 어려웠던 생체 고분자들의 영상화를 가능케 할 것이다. 궁극적으로는 아직 밝혀지지 않은 다양한 생리학적 과정들을 밝히는 도구로써 본 연구 및 관련된 물질들이 활용될 것으로 사료된다.

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

생명현상을 연구할 때에 바이오이미징, 특히 살아있는 세포에서의 이미징은 중요한 역할을 한다. 이러한 바이오 이미징의 성패는 좋은 형광프로브의 개발 여부에 달려있다고 볼 수 있다. 따라서 살아있는 세포에서 원하는 표적물질과 작용하여 형광을 내는 형광직교프로브는 핵심적인 요소가 된다. 테트라진과 결합된 형광프로브는 빠른 반응성과 높은 형광증폭 효율을 가지고 있어서 많은 연구가 되고 있다. 하지만 기존의 테트라진 기반 형광직교프로브는 생체 내 광투과율이 우수하다고 알려진 장파장 영역에서 형광증폭 효율이 현저하게 감소하는 것이 제한점이었다. 이것은 바이오이미징에서 다양한 정보를 얻기 위한 다원동시 이미징 (multiplex imagin)을 어협게 하는 제한점이었다. 따라서 본 연구에서는 파장영역에 관계없이 높은 형광증폭 효율을 가지는 형광직교 프로브를 만들고자 하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 테트라진 기반 형광직교프로브들은 형광 분자의 들뜬 에너지를 소광체인 테트라진 분자쪽으로 넘기는 에너지 전달(energy transfer) 방식을 통해서 프로브의 소광을 유도하였다. 즉 형광분자와 궁합이 잘 맞는 소광제와 연결이 될 때에 높은 형광증폭 효율을 확보할 수 있게 된다. 테트라진은 단파장의 형광프로브와 잘 맞는 소광체이다. 따라서 단파장의 형광프로브와 테트라진은 궁합이 잘 맞았지만, 장파장의 형광프로브는 테트라진과의 궁합이 잘 맞지 않아서 에너지 전달이 원활하지 않았고, 그 결과 장파장에서는 형광증폭 효율이 현저하게 떨어지는 제한점을 가지고 있었다. 본 연구에서는 기존의 형광체-테트라진을 구획화하여 연결하는 방식에서 벗어나 형광체와 테트라진 소광체 자체를 분자단일화 방식으로 처리하였다. 그 결과 파장에 상관없이 형광체의 들뜬 에너지를 소광시키는 효율을 확보할 수 있었고, 전 파장 영역에서 1000배 정도의 높은 효율로 형광신호가 증폭되는 새로운 생물직교프로브를 개발하였다. 이 결과는 본 연구실에서 개발한 서울플로어 (Seoul-Fluor)에만 적용되는 것이 아니라 다양한 형광중심골격을 활용한 높은 형광증폭 효율의 형광직교프로브 개발을 위한 디자인 전략으로서 그 의미를 가진다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

기존에 개발된 형광증폭 생물직교프로브들은 형광 분자와 테트라진을 전자적으로 분리시킨 후, 형광 분자의 들뜬 에너지를 소광제인 테트라진 분자 쪽으로 넘기는 에너지 전달(energy-transfer) 방식을 통해 프로브의 소광을 유도하였다. 이 방식으로 제작된 프로브들의 한계점은 생체 내 광투과율이 우수하다고 알려진 장파장 영역에서 형광증폭 효율이 크게 감소한다는 약점을 가지고 있다. 하지만 이 방법이 합성적으로 용이하고, 많은 연구자들이 사용하고 있는 방법이어서 이를 뒤집는 연구결과를 학계에 보고하는 것이 부담스러웠다. 이러한 부정적인 평가를 극복하기 위해서는 우리가 만드는 데이터의 허점없이 만들어야 하는 부담이 있었다. 또한 이를 설명하기 위해서 계산화학적 접근도 필요하였고, 다양한 알고리즘을 통해 가장 적절한 시스템을 찾는 과정도 쉽지 않았었다. 하지만 이러한 과정을 통해서 다양한 형광골격에 적용이 가능한 새로운 형광증폭 프로브의 설계가 가능한 디자인 전략을 개발하기 되었다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

바이오이미징은 생명현상의 연구 뿐만 아니라 질병의 조기진단에 큰 역할을 할 수 있다. 특히 형광기반 이미징 기법은 질병의 조기진단 뿐만 아니라 치료제 개발에 동반되는 바이오마커 분야에서도 각광을 받고 있다. 이러한 바이오 이미징에서 살아있는 세포를 활용한 이미징이 가능하게 될 경우에는 세포를 고정화하고, 씻어주는 과정 없이 살아있는 세포에서 전처리 없이 사용할 수 있게된다. 따라서 이를 가능하게 하는 형광증폭 프로브의 개발은 중요한 역할을 하게 된다. 기존의 테트라진 기반의 생물직교프로브의 경우에는 단파장 영역에서만 높은 형광증폭 효율을 가지고 있기 때문에 다양한 색깔을 동시에 보는 다원동시 이미징 (multiplex imaging)이 불가능하였다. 이번에 발표된 분자단일화 방식 (monochromophoric design strategy)을 이용하여 생체 내 광투과율이 우수하다고 알려져 있는 장파장 영역에서의 생물직교바이오프로브들은 다양한 파장에서 동시에 이미징을 가능하게 할 수 있기 때문에 조기진단 및 생명현상 연구에 효율을 크게 향상시킬 수 있을 것이라 예상한다.  

...................(계속)

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