바이오인

 

□ 국내 연구진이 나노구슬이 배열된 굴곡이 있는 기판 위에서 자라는 신경세포의 발달가속화* 현상의 원인을 규명했다. 신경세포가 표면지형을 인지하는 기작을 새롭게 제시함으로써 향후 신경세포의 발달조절을 통한 나노기술의 의공학적 응용가능성을 높일 것으로 기대된다.

 

* 신경세포 발달가속화 : 신경세포는 표면의 물리·화학적 특성에 따라 다르게 발달하는데 그 가운데 특히 신경돌기의 생성 및 성장이 매우 빠르게 일어나는 현상으로 연구팀이 2010년과 2012년 두 차례에 걸쳐 표지논문을 통해 신경세포가 일반 기판보다 배열된 구슬모양의 나노지형을 갖는 기판 위에서 더 빠르게 발달함을 보고한 바 있다.

 

o 카이스트 화학과 최인성 교수, 카이스트 바이오및뇌공학과 남윤기 교수, 숙명여대 화학과 이진석 교수 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구결과는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업, 중견연구자지원사업, 미래유망융합기술파이오니어사업, 나노소재원천기술개발사업 등의 지원으로 수행되었고 연구결과는 강경태 박사(現 하버드 대학)와 윤서영 연구원(숙명여대 화학과)을 공동 제1저자로 하여 화학분야 국제학술지 앙게반테 케미지 3월 5일자 온라인판에 표지논문으로 발표되었다.

 

( 논문명 : Cytoskeletal Actin Dynamics are Involved in Pitch-Dependent Neurite Outgrowth on Bead Monolayers )

 

□ 신경세포의 성장을 제어할 수 있게 되면 신경재생 및 신경보철* 등으로 응용할 수 있어 화학, 의공학, 전자공학 등 분야에서 신경세포와 인공표면 간의 인터페이스에 대한 융합연구가 활발하다.

* 신경보철(neuroprosthetics) : 뇌 속 손상된 부위의 역할을 대신하기 위해 삽입되는 인공물

o 하지만 표면의 물리적 구조가 신경세포 발달에 미치는 영향은 아직 알려지지 않았다.

 

□ 연구팀은 크기를 달리하는 실리카 나노구슬이 정렬된 기판 위에서 신경세포를 배양한 결과 구슬의 크기가 200nm 이상에서 1㎛까지 커질수록 신경세포의 축색돌기*가 더 길게 자라남을 알아냈다.

* 축색돌기(axon) : 신경세포의 세포체에서 뻗어 나와 다른 신경세포에 신호를 전달하는 긴 돌기로 수상돌기(dendrite)과 함께 신경돌기(neurite)을 이루는 주요요소.

o 이는 표면의 요철이 심할수록 신경세포가 더욱 빠르게 자란다는 사실을 밝혀 신경세포와 배양환경과의 상호작용에 대한 실마리를 제공한 것으로 향후 신경세포 발달조절은 물론 신경재생, 신경보철 및 인공생체회로 등을 위한 기반기술로 활용될 것으로 기대된다.

 

□ 연구팀은 이러한 표면의 굴곡이 액틴*의 활성화를 도와 발달가속화 현상이 일어나는 과정을 알아냈다.

o 구슬이 커질수록 구슬 사이에 매달리는 신경돌기의 부분이 커지고, 결과적으로 자라나는 신경돌기 끝에 더 많은 중력이 작용하면서 액틴이 사슬을 형성하는 것을 촉진시킨다는 것이다.(그림.1 참조)

* 액틴 : 세포골격을 이루는 주요 구성요소. 두 개의 액틴 나선이 꼬여 긴 중합체를 형성하는데 주로 잡아당기는 힘에 저항하여 세포골격을 유지하는 역할을 한다.

 

□ 한편 연구팀은 기존 논문을 통해, 신경세포의 발달가속화를 위해 나노지형의 굴곡이 200㎚ 이상이어야 하며 세포골격 단백질 액틴이 중요한 역할을 할 것이라고 예측한 바 있다.

 

 

 

신경돌기의 성장(neurite outgrowth)은 신경계의 발달(nerve development)을 위한 중요한 단계이다. 신경세포가 생체 내에서 성장하는 환경이 수많은 나노/마이크로 수준의 세포외 기질(extracellular matrix)로 구성되어 있다는 점을 고려할 때, 인공적으로 신경세포를 배양할 때 신경세포가 자라나는 배양기판의 표면지형(surface topography)이 갖는 중요성은 매우 크다. 때문에 신경세포의 성장을 제어하기 위해 신경세포와 인공표면 간의 인터페이스에 대한 많은 선행연구가 진행되어 왔다. 하지만 신경세포에 대한 표면지형의 효과는 아직 분명하게 밝혀지지 않았으며 최근에서야 인공물질의 물리적 성질이 신경세포의 다양한 반응을 유도한다는 증거들이 밝혀지고 있다.

 

 

본 연구팀은 신경세포의 성장이 나노기판에 의해 영향을 받을 수 있음에 주목하고 수백 나노미터 수준의 정렬된 실리카 구슬들로 이루어진 기판 위에서 태아 쥐의 해마신경세포(primary hippocampal neuron)의 발달을 연구하였다. 그 결과 기판을 구성하는 구슬의 크기가 1 마이크로미터까지 커질수록 신경세포 성장 가속화 현상이 점점 두드러지는 것을 확인했다. 이는 약 200나노미터보다 큰 크기의 실리카 구슬 기판 위에서만 신경세포 성장 가속화 현상이 나타남을 보였던 연구팀의 이전 논문(Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2855)과 함께 중요한 의미를 갖는다.

 

본 연구팀은 이미 표면지형에 의한 신경세포 발달가속화 현상에 세포골격 단백질 중 하나인 액틴이 깊게 관여함을 밝힌 바 있다.

이번 논문에서는 세포 안에 존재하는 다양한 신호전달체계(signaling pathway) 중에 액틴의 활성을 조절하는 것으로 알려진 Rho/ROCK pathway와의 연관관계에 대해 연구하였다. Rho/ROCK pathway는 표면지형에 의한 신경세포 발달가속화 현상에 관여하지 않음을 밝히고 신경세포가 표면지형을 인지하는 기작 중 하나로 실리카 구슬이 커짐에 따라 구슬 사이에 매달린 신경돌기 부분에 중력이 작용하여 장력(tension)을 만들고, 이러한 장력이 물리적 자극의 역할을 하면서 신경세포의 성장이 가속화된다고 제안하였다.

 

                                      

 

본 연구와 연구팀이 기존에 발표했던 논문들을 통해 나노지형을 가지는 기판 위에서의 신경세포 성장가속화 현상이 체계적으로 정리되었으며 생물학적 원인 또한 상당부분 밝혀졌다. 이러한 발견은 신경세포의 발달을 연구하는 분야에 대한 학문적 기여 이외에도 신경발달에 관련된 질병을 위한 신경재생(neuroregeneration) 및 신경보철(neuroprosthetics), 인공생체회로 등을 구현하기 위한 중요한 기반으로 발전할 것이라고 기대된다.

 

 

 

 

 

 

○ 독일화학회(GCS)와 Wiley-VCH 출판사가 공동으로 발행하는 화학 및 응용화학분야 국제학술지 (2012년 기준 영향력지수 13.734)

 

○ 핵, 세포체(soma)와 함께 신경세포를 이루는 구조. 세포체에서 수많은 신경돌기가 뻗어 나오는데 이 중 짧고 개수가 많은 신경돌기를 수상돌기(dendrite), 긴 신경돌기를 축색돌기(axon)이라한다. 축색돌기의 개수는 보통 1개이다.

 

○ 성장 중인 축색돌기의 끝에 형성되어 축색돌기의 성장 방향과 정확한 시냅스 형성을 유도하는 역할을 한다.

○ 액틴 필라멘트(F-actin)로 구성되며 다발형태로 존재하는 필로 포디아(filopodia)와 필로포디아 사이에 그물형태로 존재하는 라멜리포디아(lamellipodia)로 이루어져 있다.

 

○ 액틴의 활성을 역동적으로 제어해 주는 세포 내 신호전달체계로, Rho와 ROCK 두 단백질이 제어에 중요한 역할을 한다. 이 신호전달체계의 작용에 의해 신경돌기의 성장이 상황에 따라 촉진되기도 또 저해되기도 한다.

 

○ 뇌에서 기억 및 학습의 역할을 담당하는 해마(hippocampus) 영역에서 추출한 신경세포로서, 해마의 기능에 대해 연구하기 위해 활발히 연구되는 세포이다.

     

 

 

실리카 구슬(하늘색 원)이 정렬된 표면 위에 해마신경세포(노란색)가 자라면서 여러 개의 신경돌기들이 생겨나고, 성숙과정을 통해 각자의 역할을 하도록 발달한다. 실리카 구슬의 크기에 따라 그 위에서 자라는 신경세포들의 발달속도가 달라지며, 구슬의 크기가 200 나노미터에서 1 마이크로미터가 될 때까지 점점 가속화 현상이 두드러지게 나타났다.