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청색광 수용체 변형으로 광섬유 없는 광유전학 기술 실현 가까워져
청색광에 반응하는 크립토크롬2 단백질에 9개의 아미노산 잔기 부착해 단백질 군집 형성 효율 높아진 크립토크롬2 클러스트 개발
[437호] 2017년 08월 29일 (화) 곽지호 기자 jim9611@kaist.ac.kr

 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 청색광 수용 단백질인 크립토크롬2(Cryptochrome2)를 변형한 크립토크롬2 클러스트(CRY2clust)를 개발했다. 크립토크롬2 클러스트는 기존보다 빠른 속도로 단백질 군집을 형성할 수 있어 주목을 받고 있다. 이번 연구는 지난 6월 23일 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 게재됐다.

아미노산 잔기 부착으로 빨라진 속도
크립토크롬2(CRY2)는 식물에 있는 단백질의 일종으로, 파장의 길이가 약 450에서 550nm 정도인 청색광에 반응하는 단백질이다. CRY2 단백질은 청색광을 받으면 구조가 변화하여 활성화되거나 다른 단백질과 결합하는 성질이 있어 여러 가지 광유전학 기술에 핵심적인 물질이다. 연구팀은 CRY2 단백질 사슬의 C-말단에 9개의 아미노산 잔기를 부착하면 단백질 군집 속도가 빨라지는 현상을 관측했다. 연구팀은 이 단백질을 크립토크롬2 클러스트(CRY2clust)라고 명명했다. CRY2clust는 일반 CRY2 보다 빛에 대한 감도는 10배 이상 높아졌고, 반응 속도는 2배 이상 빨라졌다.

군집 형성 어려웠던 기존 한계 극복해
신호전달 단백질, 효소 등의 단백질은 서로 군집을 조성하여야 기능이 활성화되기에 단백질 군집을 형성하는 것은 중요하다. 하지만 기존에 단백질 군집 형성을 유도하는 연구들은 화학 물질을 사용하여 부작용이 발생할 뿐만 아니라 시공간적인 제약이 있다는 한계가 있었다. 이에 광유전학에서는 빛에 반응하는 CRY2를 이용하여 화학 물질을 대체하려 했으나 조절하고자 하는 단백질에 따라 단백질 군집이 잘 형성되지 않는 경우도 있어 연구에 사용하기는 어려웠다.
이번에 개발된 CRY2clust는 기존의 CRY2보다 감도와 속도 측면에서 성능이 향상되어 기존의 문제를 해결하였다. 우선 CRY2clust는 CRY2에 비해 빛에 대한 반응성이 높아졌다. 연구팀은 과거 자체 개발한 광유도 칼슘 이온 채널 활성 시스템(OptoSTIM1)과 광유도 신경성장인자 수용체(OptoTrkB)에 CRY2clust를 각각 적용하였을 때, 기존보다 이온 채널은 빠르게 열리고 수용체의 활성 정도는 높아짐을 관찰했다.
연구팀은 CRY2에 형광단백질을 결합하는 위치에 따라 단백질 군집이 형성되는 비율이 달라진다는 사실도 확인했다. 일반 단백질을 세포에서 발현시킬 경우 조작된 유전자가 체내 어느 위치에서 발현되었는지 확인이 어렵다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위하여 형광단백질을 함께 부착하여 빛을 쐬는 방식으로 해당 단백질들을 찾아냈다. 또한, 단량체 형태의 형광단백질을 부착하는 것보다 이량체나 사량체와 같은 중합체 형태로 부착하는 것이 단백질 군집을 더 잘 형성한다는 단백질 군집 형성 조건까지 알아냈다.

민감도 높여 확장된 광유전학 분야
이번 연구는 광유전학 기술에 활발히 활용될 전망이다. 기존 CRY2를 사용하였던 연구들에 바로 적용할 수 있으며, 이온 채널을 빠르게 여닫을 수 있을 뿐만 아니라 세포 분화를 더욱 효율적으로 조절할 수 있는 등 활용 가치가 높다. 또한, 빛에 대한 민감도가 높다는 성질을 이용하여 광유전학의 새로운 분야를 개척할 수도 있다. 광유전학은 청색광이 체내에 투과하는 과정에서 산란, 굴절 등으로 인하여 그 강도가 많이 약해져 현재는 광섬유를 이용하여 뇌에 빛을 비추는 방식을 사용하고 있다. 연구팀은 이번 연구에서 조작한 단백질이 더 적은 양의 빛에도 반응할 수 있어 광섬유를 이용하지 않고도 머리 위에서 빛을 비추는 방식 등을 사용하여 뇌과학 연구를 진행할 수 있을 것이라 설명했다.

허 교수는 “이번에 개발한 CRY2clust는 기존의 기술보다 민감도가 높고 발전되었다는 점에서 의미가 있다”며 “이번 연구를 광유전학 분야에 접목해 뇌과학 연구에 적극적으로 활용하고 싶다”고 밝혔다.

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