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형광 공명 에너지 전달 이용하는 관측법 개선한 바이오 센서 개발
형광 단백질의 공명 전후 신호 세기 차이 커지고, 파장 나뉘어 명확한 신호 얻어져 … 살아있는 쥐의 GTP 가수분해효소 활성 관측
[459호] 2019년 03월 12일 (화) 박종건 기자 panyaang99@kaist.ac.kr

 

   
▲ (a)새로 개발된 형광 단백질로 이루어진 바이오 센서. (b)바이오 센서를 이용해 운동 행동 중인 쥐의 뇌를 실시간으로 관찰하는 모습. (ⓒ허원도 교수 제공)

 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 세포 신호 스위치 단백질을 관찰하는 방법을 개선하고 살아있는 쥐의 뇌세포 활성을 관측하는 데에 성공했다. 이번 연구는 지난 1월 14일 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 온라인판에 게재됐다.


세포의 기능 조절하는 스위치 단백질

 세포 신호 스위치 단백질은 세포의 신호 전달 단백질로서 활성화 여부가 세포의 다양한 기능을 제어한다. 대표적인 신호 전달 스위치 단백질인 소형 GTP* 가수분해효소(Small GTPase)는 세포의 분열, 사멸과 유전자 발현 등을 조절한다.


두 개 이상 단백질 동시 관측 어려워

 기존에는 소형 GTP 가수분해효소의 활성을 관찰하기 위해 형광 공명 에너지 전달(Fluorescence Resonance Energy Transfer)을 이용했다. 형광 공명 에너지 전달은 발산하는 빛의 파장이 서로 다른 2개의 형광 단백질을 바이오 센서로 사용한다. 이 형광 단백질들이 공명에 의해 에너지를 교환할 때, 두 형광 단백질이 발산하는 신호가 보강 간섭하여 증폭되는 것을 감지하여 표적 단백질의 활성을 확인할 수 있다. 하지만 공명 후 형광 단백질 신호의 세기는 공명 이전의 1.3배 정도에 불과하다. 또한, 한 세포에서 2가지 이상의 단백질을 추적할 때 각각의 형광 단백질에서 발생하는 비슷한 파장의 신호를 구분하기 힘들다는 한계가 있다. 더불어 형광 단백질의 활성이 낮거나 형광 단백질이 발산하는 신호 외의 잡음이 존재하는 경우 표적 단백질의 활성을 판별하기 어렵다.


새로운 형광 단백질로 기존 문제 해결 

 연구팀은 형광 공명 에너지 전달의 단점을 보완할 수 있는 바이오 센서를 개발했다. 이 바이오 센서는 기존에 사용되던 형광 단백질이 아닌 새로 개발된 형광 단백질로 구성된다. 이 형광 단백질은 기존 형광 단백질과 달리 공명하지 않을 때 발산하는 신호가 거의 없다. 하지만 두 형광 단백질이 가까워지면 서로 공명하며 기존의 3~5배에 달하는 세기의 신호가 발생된다. 이 신호는 사용하는 형광 단백질에 따라 488nm 또는 561nm의 파장에서 관측할 수 있다. 나아가 연구팀은 미국 막스 플랑크 플로리다 연구소(Max Planck Florida Institute)의 권형배 박사 연구팀과의 공동연구를 통해, 최초로 깨어있는 쥐와 마취된 쥐의 뇌의 신경 세포에서 소형 GTP 가수분해효소의 활성 정도를 비교하는 데 성공했다.


신호의 파장 나뉘어 명확한 관찰 가능

 이번 연구에서 개발한 바이오 센서는 활성화에 따른 신호 발생 정도의 차이가 커서 명확한 신호를 얻을 수 있고, 조직이나 생물 그 자체를 관측하는 것도 가능해졌다. 또한, 형광 단백질이 발생하는 신호가 488nm와 561nm의 특정한 파장을 가져 신호가 섞이지 않게 된다. 따라서 광유전학** 기술과 함께 사용할 수 있고, 2개 이상의 단백질을 추적할 때도 사용할 수 있다. 


 허 교수는 “이번 연구에서 소형 GTP 가수분해효소를 관측하는 기존 바이오 센서들의 기술적 한계를 극복했다”며, “특히 청색 빛을 활용한 광유전학 기술과 동시에 사용 가능해 세포 신호 전달 및 뇌인지과학 연구에 유용하게 활용될 전망이다”고 밝혔다.


 

GTP*

구아노신에 세 개의 인산기가 결합된 화합물로, 전사 과정에서 RNA의 합성에 필요한 물질.

광유전학**

빛으로 뉴런 등의 살아있는 세포 속의 물질을 조작하여  어떤 반응이 일어나는지를 관찰하는 학문.

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