바이오인

핵심내용

인체 내 생체분자의 힘, 측정 분석 새 기술 개발

◇ 이상우 교수팀, 나노테크놀로지 분야 세계적 학술지 ACS 나노 논문 게재   
◇ 유전영동 기술을 이용한 고효율 양방향 생체분자 간의 결합력 분석 방법 제시 

□ 인체 내 생명현상을 이해하는 기초인 생체분자* 간의 미세 힘을 측정하는 기술이 기존 대비 효율을 높이고, 방향 제어까지 가능하게 되었다.
    * 생체분자 : 생물의 기능을 담당하는 특수 분자. 주로 탄소, 질소, 산소로 구성되어 있으며 분자량이 작은 DNA 및 아미노산으로부터 분자량이 큰 핵산, 단백질, 고분자다당류 등이 생체분자에 포함됨. 

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 이상우 교수 연구팀(연세대)이 유전영동집게**를 이용하여 고효율의 양방향 분자 결합 특성 분석이 가능한 생체분자들 간 결합력 측정 기술***을 개발했다고 밝혔다.
      ** 유전영동집게 : 불균일한 전기장을 이용하여 마이크로입자의 움직임을 제어할 수 있는 새로운 방법
     *** 분자력 간 결합력 측정기술: 분자들 간의 결합 및 나눔 현상 시 발생하는 힘을 측정하는 기술 

□ 인체 내 생체분자력 간의 결합력 측정과 분석에 관한 연구는 유전정보를 가지는 DNA 특성분석, 인체 내에서 꼭 필요한 단백질 합성/소멸 등과 같은 생명현상 특성을 이해하는데 매우 중요하다. 가령 줄기세포에서 새로운 조직, 장기들이 분화되어 생성될 때 발현되는 생체분자 간의 결합력 특성 분석이 가능하다면 줄기세포에서 어떤 종류의 조직, 장기들이 분화되어 나오는지를 이해하는데 매우 중요한 정보가 될 수 있다.

 o 하지만 기존의 생체분자들 사이의 결합력 측정기술은 동일한 조건 하에서 한 번에 한 가지 방향성을 가지는 하나의 결합력만 측정이 가능하였다.  

□ 연구팀은 이러한 연구의 한계를 미세유체 칩**** 내에서 많은 마이크로입자들의 수직, 수평방향으로의 운동을 제어할 수 있는 유전영동집게라는 새로운 방법을 개발했다.
     **** 미세유체 칩 : 용도에 따라 다양한 분석실험을 진행할 수 있도록 설계된 오백원 동전 정도 크기의 칩 

 o 이 기술은 나노뉴턴***** 정도의 생체분자의 힘을 1번에 수십~수백 개의 힘을 측정할 수 있고, 방향성을 잡기 어려웠던 기존 연구와 달리 수직, 수평 등의 방향에서 연속적으로 측정이 가능하다. 
     ***** 나노뉴턴 : 힘을 측정하는 단위인 뉴턴(Newton)에 나노(1/10억)의 합성어로 매우 작은 힘을 의미함.

□ 이상우 교수는“생체분자결합의 아주 미세한 힘을 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 이 기술은 생체분자 단위의 결합력 특성 분석을 위한 새로운 원천기술이다. 인체 내 생체분자의 결합력과 관련된 보다 정밀한 분석을 통해 생명현상을 보다 깊이 있게 이해하는데 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.

□ 이 연구성과는 나노테크놀로지 분야의 세계적인 권위지인 ACS 나노 4월 22일자에 게재되었다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Biaxial Dielectrophoresis Force Spectros: A Stoichiometric Approach for Examining Intermolecular Weak Binding Interactions

   - 저자 정보 : 이상우(교신저자, 연세대 교수), 박인수(공동 제1저자, 연세대 박사과정), 곽태준(공동 제1저자, 웨스콘신대학 박사과정), 이규도(공동저자, 하버드대 박사후 연구원), 손명구(공동저자, 연세대 석사과정), 최정우(공동저자, 연세대 박사과정), 최승엽(공동저자, 연세대 석박사통합과정), 남기환(공동저자 한국과학기술원 박사후 연구과정), 이세영(공동저자 연세대 조교수), 장우진(공동저자, 웨스콘신대학 조교수), 엄길호(공동저자, 성균관대 조교수), 윤대성(고려대, 부교수), 이상엽(공동저자, 한국과학기술원 책임연구원), Rashid Bashir(공동저자, 일리노이대학 교수)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 분자 간의 결합력 특성 연구는 인체 내 생명현상을 유지하도록 하는데 필수이다. 또한 유전정도의 교환, 단백질 합성 및 세포의 분화현상을 이해하기 위한 가장 기본적인 요소이다. 최근 나노 및 바이오기술의 발전을 통한 *분자력 간의 미세 힘 측정기법의 발달로 인하여 매우 활발한 연구가 진행되고 있다.
        * 분자력 간 미세 힘 측정기법: 분자들간의 결합 및 나눔 현상 시 발생하는 힘을 측정하는 기술
   ○ 기존의 분자력 간 미세 힘 측정기법들은 한 번에 하나의 측정만 가능하여 정확한 값을 알아내기 위해 많은 반복실험을 필요로 한다. 하지만 결합력 특성연구의 매우 중요한 요소인 다양한 측정 방향성을 적용하기 어렵다는 기술적 한계점이 있었다.  또한 측정 장치가 고가이며 측정을 위해서는 숙련된 인력이 필요하다.
   ○ 측정시스템의 저가화 및 자동화를 통해 진입장벽을 낮추고, 동일한 조건 하에서 한  번에 많은 측정이 가능하며 다양한 측정 방향성을 적용함으로써 연구진행의 기술적 한계를 극복하여 새로운 과학적 사실을 발견하기 위해 새로운 측정기법의 개발은 필수적이다.

 2. 개발 원리
   ○ 불균일한 전기장 내에서 마이크로 입자가 움직이는 유전영동현상*을 활용하여 연구팀은 미세유체 칩* 내에서 많은 마이크로 입자들의 움직임 제어가 가능한  유전영동집게*를 개발하였고 이를 생체분자 간의 결합력 측정에 응용하였다.
    ＊유전영동현상 : 불균일한 전기장과 마이크로입자간의 상호작용을 통해 입자가 움직이는 현상
    ＊미세유체 칩: 용도에 따라 다양한 분석실험을 진행할 수 있도록 설계된 오백원 동전 정도 크기의 칩
     * 유전영동집게: 불균일한 전기장을 이용하여 마이크로입자의 움직임을 제어 할 수 있는 새로운 방법
   ○ 이러한 유전영동집게를 통해 제어 가능한 많은 마이크로 입자들을 생체 분자간의 결합력을 측정하는 도구로 활용하였다. 또한 동일한 실험조건 하에서 입자들의 움직임 방향을 양방향(수평 및 수직방향)으로 연속 제어가 가능하도록 시스템을 구현하였다.

3. 연구 성과
   ○ 제안된 측정기법의 경우 수십~수백 개의 마이크로 입자들을 측정도구로 활용하여 한 번에 많은 측정이 가능한 고효율(high-throughput) 및 마이크로 입자들을 수평 및 수직방향 움직임을 제어할 수 있는 양방향(biaxial direction) 제어기술을 적용함으로써 기존의 분자력 간 미세 힘 측정기법의 기술적 한계점을 극복할 수 있다.
    ○ 또한 개발된 측정기법을 통하여 생체분자력 간 결합력 특성 연구 시 분자 단위의 생명현상을 새로운 관점에서 접근할 수 있는 원천기술 확보가 가능할 것으로 사료된다. 
    ○ 이 기술은 DNA-DNA 간의 힘, 단백질 사이에 존재하는 결합력 특성분석 연구들 중 기존의 기술적 한계에 의해 측정이 어려웠던 부분을 측정함으로써 생체분자 결합력 연구의 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대된다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 생명현상을 이해하기 위한 기초연구로 생체분자 간 결합 및 반응 특성을 연구하는 것은 매우 중요하다. 이러한 결합 및 반응은 단 분자 단위의 공유/비공유 결합에서 DNA, RNA, 단백질, 항원-항체반응에 이르기까지 다양한 생체분자 결합이 인체 내에서 지속적으로 일어나고 있다. 따라서 이런 생체분자간의 결합력 관련 특성을 이해하기 위한 측정기술들은 지속적으로 개발되고 있으며 이를 활용한 연구 또한 활발하게 진행되고 있다.  그럼에도 불구하고  인체 내에서 존재하는 여러 가지 생체 분자들의 경우  다양한 결합방향성을 가지고 있지만 이러한 방향성에 관한 결합특성의 실험적 연구의 경우 지금까지 개발된 측정기법들의 기술적인 한계점 때문에 전산모의해석을 통한 연구로 국한되어 있다.
  ㅇ 현재 이러한 방향성 관점의 생체분자 결합특성을 실험적으로 연구하기 위하여 다양한 실험방법이 시도되고 있다. 하지만 정량적 해석을 위한 많은 반복 실험 및  비용에 의해 효율성이 떨어지고 방향성에 관한 분자결합의 실험 구현에 있어 기술적 어려운 점이 존재한다. 이 연구에서는 이러한 문제를 극복하고자 연구실 고유기술인 유전영동집게 기술을 이용하여 고효율 (high-throughput) 양방향 (biaxial)으로 생체분자의 결합특성을 실험적으로 분석할 수 있는 새로운 기법을 개발하였다.
 
2. 연구내용
  ㅇ 이 연구에서 제안된 새로운 기법은 유전영동집게 기술을 기반으로 한 양방향 미세 힘 측정기법이다. 유체 내에 구현된 생체분자결합을 전기장의 특성을 이용하여 수직방향과 수평방향으로 결합력을 측정할 수 있다. 특수 제작된 마이크로 전극에 교류전압을 걸어 전극에 전기를 흐르게 하면 마이크로입자들이 유전영동 힘을 받게 되며, 이 때 걸어준 교류전압의 크기 및 진동수를 조절함으로 마이크로입자들이 받는 힘의 방향을 제어할 수 있다. 마이크로입자들과  전극표면에  생화학처리를 통해 생체분자간의 결합을 형성할 수 있으며 이렇게 형성된 결합은 전압의 세기를 조절을 통한 유전영동 힘의 변화를 통해 결합력이 끊어지는 과정을 실시간으로 측정 및 분석하는 연구가 수행되었다. 
  ㅇ 이 때 생체분자결합은 결합이 끊어지는 방향에 따라 다양한 물리화학적 특성을 가지고 있으며, 동일한 생체분자라도 다른 결합 특성을 가질 수 있다는 것을 개발된 기법을 통해 실험적으로 검증하였다. 또한 열역학적 관점에서 생체분자결합은 결합이 생성되고 끊어지는 과정에서 에너지 준위가 변하게 되는데 이 때 반응 환경조건 (예를 들면 결합 방향성) 따라 다양한 에너지준위 경로로 변하게 된다. 이 때의 그 변화과정을 개발된 기법을 이용하여 방향성에 따른 생체분자 결합을 열역학적 이론을 토대로 분석하였으며, 동일한 생체분자결합이지만 결합이 끊어지는 방향에 따라 다른 에너지 준위 변화가 나타나는 것을 확인하였다.

3. 기대효과
  ㅇ 이 연구에서 개발한 유전영동을 이용한 양방향 분자결합 특성분석 기술은 기존의 측정 기법의 기술적 한계를 극복하고 다양한 실험조건에 활용이 가능하며, 인체 내에서 발생하는 여러 가지 생화학적 반응을 방향성 특성 관점에서 실험 및 해석할 수 있기 때문에 생물학적으로 매우 유의미한 연구기법으로 활용될 수 있다.
  ㅇ 또한 이 연구에서 개발된 측정기법의 경우 새로운 원천기술로 지적재산권 확보가 가능하며 이를 통해 지속적인 연구를 수행한다면 향후 산업화가 가능한 분자력 간 미세 힘 분석 시스템으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2006년 연세대학교 원주캠퍼스 의공학부에 재직하면서 유전영동집게를 이용한 미세 힘 측정 기술 개발 연구를 처음 시작하였고, 이를 통해 새로운 측정기법을 제안, 검증 발전 시켜오고 있으며 개발된 기술력을 이용하여 다양한 생명공학분야에 응용하는 연구를 진행하고 있다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

초기에 제안한 기술력을 바탕으로 기본적인 단 분자 실험부터 생체 분자결합 실험까지 다양하게 응용실험을 하고 기존 연구결과들과 비교 및 검증을 진행하였다. 또한 검증된 미세 힘 측정 기술을 바탕으로 유전영동의 힘 방향 조절 특성을 응용하여 측정 방향에 따른 분자결합 특성을 효율적으로 분석해 내는 시스템을 고안하게 되었다.

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

이 연구는 이상우 교수 연구실에서 최초로 제안한 새로운 연구방법으로 실험결과에 대한 검증, 분석을 기존에 존재하는 방법으로 적용할 수 없다는 점이 장애요소였다. 따라서 방향성에 관한 분자결합 특성을 분석하는 과정을 진행하기 위해 논리에 맞는 새로운 분석기법을 추론하고 이를 이용하여 결과를 도출하였다. 최종적으로 도출된 결과 값의 유의미성에 대한 검증은 선행연구결과 및 이론을 비교 및 참조함으로써 기법의 타당성을 제시하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이 연구는 2009년 이상우 교수 연구실에서 처음 제안된 유전영동 미세 힘 측정 기술을 기반으로 기존에는 실험적으로 수행하기 힘들었던 힘의 방향성에 따른 분자결합 특성연구를 효율적인 방법으로 실험 및 분석할 수 있는 기법이다. 분자 결합뿐만 아니라 다양한 생물학적 분야에 응용될 가능성이 크다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

현재 연구결과는 분자결합 특성분석을 두 방향 (수직, 수평방향) 에서 다루었지만 향후에는 개발된 기법을 이용하여 분자결합이 생성되고 끊어질 때 발생할 수 있는 다양한 방향에 관해서 결합특성을 연구할 계획이다. 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

새로운 측정시스템 개발을 위해 학생들과 하드웨어부터 소프트웨어에 이르기까지 하나하나 다듬어가고 수정했던 과정들이 가장 기억에 남는다. 아직도 최적화해야 할 부분이 필요하지만 개발된 시스템을 토대로 새로운 연구결과를 얻을 수 있었다는 점에 의미를 부여하고 싶다.

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