쿠커비투릴-아다만탄아민 분자 결합을 이용한 세포 자가포식 관찰법© News1

국내 연구진이 강력한 형광 분자 결합쌍으로 알츠하이머나 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환의 비밀을 풀 실마리를 찾았다.기초과학연구원(IBS)은 복잡계 자기조립 연구단이 강력한 형광 분자 결합쌍을 이용해 세포 자가포식(Autophagy)에 관여하는 세포내 소기관의 움직임을 관찰하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

세포 소기관은 핵, 미토콘트리아, 소포체, 골지체, 리소좀 등 세포내 여러 가지 기능을 수행하는 구조단위이다.

세포는 영양이 부족해지면 분해효소를 지닌 세포 소기관이 불필요한 세포 소기관을 분해 및 재활용하는데 이를 자가포식이라 한다.

자가포식이 정상적으로 일어나지 않으면 세포는 충분한 에너지를 확보할 수 없어 죽게 된다. 기존 연구에서는 자가포식에 관여하는 두 세포 소기관을 관찰하기 위해 형광 단백질을 주로 이용해왔다. 그러나 자가포식 과정 중 분해 효소로 인해 형광 단백질이 함께 분해되는 탓에 자가포식 현상을 안정적으로 관찰하는 데 어려움이 있었다.

이에 연구진은 강력한 형광 분자 결합쌍인 쿠커비투릴(CB[7]-Cy3) 분자와 아다만탄아민(AdA-Cy5) 분자의 특이적 결합 원리를 이용, 자가포식이 일어나는 세포 소기관의 움직임을 보다 안정적으로 관찰하는 데 성공했다.

자가포식 과정에서 함께 사라지는 형광 단백질과 달리 연구진이 개발한 형광 분자 결합쌍으로는 세포 소기관 각각의 움직임 뿐 아니라 두 소기관의 융합 과정도 확인할 수 있다.

세포 자가포식은 리소좀과 같이 분해 효소를 지닌 소기관과 분해될 다른 소기관이 만나 이뤄진다.

연구진은 분해 대상인 여러 소기관 중 미토콘드리아에 주목했다. 미토콘드리아는 퇴행성 뇌질환과 연관이 깊은데 많은 에너지를 사용하는 뇌세포에서 미토콘드리아가 고장 난 채 적절하게 분해되지 않으면 퇴행성 뇌질환으로 이어질 수 있기 때문이다.

연구진은 세포 내에서 리소좀과 미토콘드리아의 자가 포식 과정을 관찰하기 위해 쿠커비투릴과 아다만탄아민 분자의 강력한 분자 결합을 이용했다. 우선 쿠커비투릴과 아다만탄아민 분자를 관찰할 수 있도록 각각에 형광 분자를 붙이고, 쿠커비투릴은 세포 내 리소좀을, 아다만탄아민은 미토콘드리아를 인지할 수 있도록 했다.

또 자가포식하는 과정을 관찰하기 위해 리소좀과 미토콘드리아가 융합 시에도 형광이 나타나도록 고안했다. 두 소기관이 융합할 때 쿠커비투릴과 아다만탄아민 분자가 결합하는데 이들에 붙은 두 형광 분자가 가까워지면서 일어나는 에너지 전이로 인해 형광이 나타나는 원리다.

연구진의 실험 결과 쿠커비투릴-아다만탄아민 형광 분자 수용액을 세포에 처리하면 쿠커비투릴은 리소좀을, 아다만탄아민은 미토콘드리아를 인지해 서로 다른 색의 형광을 띠는 것으로 관찰됐다.

이를 통해 두 세포 소기관 각각의 움직임을 확인하는 것이 가능했다. 일정 시간이 흐른 뒤 리소좀과 미토콘드리아가 자가포식을 위해 융합하면 에너지 전이로 인한 형광으로 이들 두 소기관의 융합과정도 관찰할 수 있었다. 세포 자가포식의 전 과정을 실시간으로 살펴보는 것이 가능해진 셈이다.

연구진이 개발한 이미징 기술을 신경세포에 적용하면 퇴행성 신경질환의 세포 자가포식 현상을 보다 명확히 규명할 수 있는 계기가 될 것으로 전망된다. 또 이를 통해 향후 암, 감염병, 노화 등의 치료와 신약 개발 연구 분야 발전에 기여할 것으로 기대된다.

김기문 연구단장은“형광 분자 결합쌍을 이용한 바이오 이미징 기술은 복잡한 세포 기작을 보다 세심히 연구할 수 있는 길을 열 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 독일 응용화학회지(Angewandte Chemie International Edition) 온라인 판에 지난달 25일 게재됐다.


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