바이오인

중증 노인성 질환 진단을 혈당 측정처럼 쉽고, 간편하게

- 기존 대비 편리성과 정확도 높인 새로운 글루타민 측정 센서 개발 -

- 살아있는 세포의 글루타민의 농도 변화의 실시간 모니터링 성공 -

 2023년 우리나라의 기대수명은 83.6세로 OECD 회원국 중 세 번째로 높고, 매년 꾸준히 늘어나고 있다. 노인인구 비율이 증가하면서 다양한 노인성 질환의 치료에 드는 사회적 비용 또한 급격한 증가 추세여서 질환 조기 진단에 관한 관심이 높아지고 있다. 다양한 진단방식 가운데 암, 당뇨, 치매 등 중증 환자의 세포 및 혈액에서 글루타민 농도가 정상인 대비 크게 변화하는 것을 밝혀내 노인성 질환의 지표로써 글루타민을 측정하는 연구가 전세계적으로 활발히 이루어지고 있다.

 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 천연물소재연구센터 서문형 박사팀은 천연물인포매틱스연구센터 박근완 박사팀과 함께 ‘화합물 유도 단백질 조립’ 원리를 통해 복잡한 측정 과정과 고가의 분석 장비 없이도 글루타민 농도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

 글루타민은 혈액 내에서 단백질을 합성하거나 세포가 에너지원으로 사용하는 아미노산의 하나로 특정 상황에서 수치가 급격하게 변화하는 특성이 있어 질병의 치료 및 조기 진단에 유용한 바이오마커로 활용될 수 있다. 이 때문에 암세포의 영양분이기도 한 글루타민의 대사를 억제하는 암 치료 연구를 비롯해 대사질환 및 퇴행성 질환의 진단을 위한 체내 글루타민 신진대사 연구도 활발히 수행되고 있다.

 지금까지 체내 글루타민 농도 측정은 아미노산 분석기와 같은 고가의 전문 분석 장비에 의존하고 있는데, 살아있는 세포 내 글루타민의 농도 변화는 실시간으로 측정할 수 없다는 한계가 있었다. 상대적으로 측정 비용이 낮은 연구용 키트의 경우, 생체 시료 내 단백질 제거 등 번거로운 전처리 과정이 필요해 측정 시간이 길고 정확도가 높지 않았다.

 연구팀은 글루타민 결합 단백질을 2개의 인공 단백질로 분리한 후 시료와 결합해 혈액 내 글루타민의 농도를 간편하게 측정할 수 있는 ‘화합물 유도 단백질 조립’ 원리의 글루타민 측정용 센서 단백질을 개발했으며, 글루타민의 기호인 Q와 밝게 빛을 낸다는 뜻인 SHINE을 결합하여 Q-SHINE으로 이름을 붙였다. 실험 결과, Q-SHINE 센서는 글루탐산, D-글루타민과 같은 유사한 구조의 아미노산에는 반응하지 않는 고선택성을 보였다. 이를 통해 측정할 수 있는 글루타민의 최저 농도는 1마이크로몰(µM, 1몰의 100만분의 1)으로, 연구용 키트로 가장 많이 사용되는 효소반응 분석법보다 20배 더 낮은 농도의 글루타민까지 측정할 수 있다. 또한, 센서 단백질을 대장균에서 손쉽게 생산할 수 있어 연구용 키트로도 수억 원 상당의 분석 장비와 동일한 수준의 글루타민 농도 분석이 가능해졌다.

 뿐만 아니라 연구팀은 Q-SHINE 센서를 이용해 살아있는 세포의 세포질 및 미토콘드리아 내 글루타민 농도 변화의 실시간 모니터링에도 성공했다. 특히 암세포와 정상세포에서 글루타민 농도 차이를 검증함으로써, 향후 글루타민 대사 억제를 통한 항암제 개발이 속도를 낼 수 있을 것으로 보인다.

 KIST 서문형 박사는 “이번에 개발된 Q-SHINE 센서는 당뇨환자의 자가 혈당 측정 방식과 같이 손쉬운 글루타민 농도 모니터링을 가능하게 해줄 것"이라며, “글루타민 대사 연구에 활용하게 되면 암, 당뇨, 치매와 같은 중증 노인성 질환의 조기진단과 원인 규명, 나아가 글루타민 대사를 조절하는 암 치료제 개발에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구사업(2021R1C1C1003843)으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘Sensors and Actuators, B: Chemical’ (IF=8.4, JCR 분야 상위 0.8%) 최신 호에 게재됐다.

* Q-SHINE: A versatile sensor for glutamine measurement via ligand-induced dimerization

논문정보

□ 논문

○ 제목: Q-SHINE: A versatile sensor for glutamine measurement via ligand-induced dimerization

○ 학술지: Sensors and Actuators: B. Chemical

○ 게재일: 2023.05.06.(온라인 공개)

○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.133951

□ 저자

○ 서문형 선임연구원(교신저자/KIST), 박근완 책임연구원(교신저자/KIST), 임윤 박사후연구원(제1저자/KIST), 김지율 학생연구원(제1저자/KIST)

□ 내용 요약

○ 연구배경

○ 연구내용

○ 기대효과