세포 안의 똑똑한 눈, InCell SMART-i
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세포 안의 똑똑한 눈, InCell SMART-i
  • 이서은 기자
  • 승인 2011.09.18 23:33
  • 댓글 0
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생체나노입자를 이용한 스마트 나노센서로 신약 스크리닝에 획기적인 방향 제시

 

 우리 학교 생명과학과 이상규 박사가 생체나노입자를 적용해 살아 있는 세포에서 약물의 작용을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. (주)리온즈신약연구소 김태국 박사와 공동으로 개발한 이 기술은 세계적인 화학 학술지 <앙게반테 케미> 9월호의 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정되었다.

나노 센서 기술의 혁신, InCell SMART-i
 이 기술의 핵심은 살아 있는 세포 내에서 수 많은 나노 입자들이 특정 화학 물질에 의해 서로 연결되어 군집체(Cluster)를 형성한다는 것이다. 연구팀은 이 기술을 ‘세포 안의 똑똑한 눈(InCell SMART-i)’으로 명명했다. 이는‘INtra CELL-ular SupraMolecular Assembly Readout Trap for Interacion’을 줄인 말이다. 사실 입자 간에 연결고리를 형성해 군집체를 만든다는 개념은 기존에도 있었지만, 모두 생체 밖, 즉 시험관에서 이루어진 실험이었다. 이 기술은 그러한 개념을 세포 내에서 실현했다는 데에 그 의의가 크다. 또한, 나노군집체가 세포 내에서 자연적으로 만들어지지 않는 구조이기 때문에 실험에서 우연히 생성되었을 가능성을 배제할 수 있다.

세포가 직접 발현하는 생체나노입자
 지금까지는 대부분 실험에 화학적으로 합성된 나노입자를 사용했다. 하지만 이는 합성된 입자를 세 포 외부에서 세포 내로 균일하게 넣어주는 데 어려움이 있었다. 그러나 InCell SMART-i에서는 세포에 유전자를 도입해 세포가 스스로 나노입자를 생성할 수 있도록 한다. 이 나노입자의 기초골격은 페리틴(ferritin)이란 단백질로, 동일한 소단위체(subunit) 24개가 모여서 만들어진 것이 특징이다. 만약 발현시키고자 하는 단백질이 서로 다른 소단위체들로 이루어진 복합체인 경우, 각각의 소단위체에 해당하는 유전자를 세포 내에 전부 넣어 주어야만 한다. 그러나 페리틴은 한 개의 유전자만 주입해 발현시키면, 각 소단위체들이 저절로 모여 복합체를 형성한다. 이러한 특성으로 단백질 발현뿐만 아니라 유전자 조작에 의한 단백질 변형 또한 용이해진다.

▲ 그림 1. 약물 처리 후 나노군집체가 형성되는 모습. 특정 약물과 형광 표지물질에 달린 약물타겟간의 결합이 입자들의 연결고리 역할을 한다. 약물 처리 전에 세포 내에 균일하게 퍼져 있던 나노 입자는 약물 처리 후 2분 이내로 빠르게 군집체를 형성한다. 이는 형광 패턴이 점 형태로 변화하는 것을 통해 쉽게 파악할 수 있다. 여기서 형광 표지물질은 형광현미경에서의 실시간 세포 관찰을 가능하게 한다

‘살아있는’ 세포 내의 반응을 볼 수 있다
 어떤 신약의 효능을 알아볼 때, 지금까지는 세포에 약물을 투여한 뒤 세포를 용해해 그 결과를 확인했다. 하지만 이는 과정이 복잡하고 시간이 오래 걸릴뿐더러, 세포를 깬 뒤 불순물을 씻어내는 과정에서 약물과 실제로 상호작용하고 있는 단백질이 떨어져 나올 수 있고, 세포 본래의 모습을 온전히 잃어버린다. 따라서 이 방법으로 얻은 결과를 자칫 잘못 해석하면, 실제로 몸속에 투여한 뒤 발생하는 부작용을 예측하지 못할 수 있다.

 InCell SMART-i는 이러한 우려가 없는 강력한 기술이다. 약물과 약물타겟 간의 결합을 살아 있는 세포 내에서, 실시간으로, 빠르게 확인할 수 있기 때문이다. 그리고 형광의 패턴 변화 또한 명확한데다가 일반적인 저가 형광 현미경으로도 잘 관찰되어 실용적이다.
이러한 특징 덕분에 한꺼번에 여러 약물과 다양한 단백질 간의 결합을 쉽고 정확하게 분석할 수 있다. 즉, InCell SMART-i는 ‘약물 스크리닝’에 용이하다. 그리고, 어떤 화학 물질이 기존에 많은 연구가 되어 있는 신호 단백질과 결합해 그 단백질의 기능을 저해한다는 것을 알게 되면, 해당 물질의 효능을 밝힐 수 있다.

▲ 그림 2. 입자들이 연결되어 이뤄진 나노군집체의 구조 모식도. 나노 입자에 적색과 녹색의 형광 단백질을 달아주고, 적색 형광에는 타겟1, 녹색 형광에는 타겟2를 연결했다. 이때 사용한 약물은 타겟1, 2와 동시에 결합하는 물질이기 때문에 ‘타겟1-약물-타겟2’의 결합고리가 형성되고, 입자간의 연결이 완성된다.

 이번 연구 결과는 세포 내에서 일어나는 특정 물질의 작용을 즉시 확인할 수 있다는 데에 의의가 크다. 이 박사는 “이 기술을 이용해 다양한 단백질들의 상호작용을 밝힐 예정”이라고 앞으로의 연구 계획을 밝혔다. 그는 또한 “기술이라는 것은 많은 사람이 사용할 때 더욱 빛이 난다고 생각한다”라며 “앞으로 많은 연구자들이 InCell SMART-i를 이용해 중요한 단백질 상호작용이나 생물학적 현상들을 규명했으면 좋겠다”라고 말했다.

 


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