| 초록 |
□ 연구개요 본 연구는 살아있는 세포를 이용, 세포막 단백질(membrane protein)의 분산(diffusion) 및 회전운동을 단 분자 수준으로 (single molecule level) 실시간(real-time) 관찰하고, 나아가 단백질이 활성화 될 때나타나는 이합체(dimer) 또는 다량체(multimer)로의 형태 변화시, 병진·회전 운동의 변화를 관찰하면서 단백질의 활성화 매카니즘을 규명하는 것을 목표로 한다. 이를 이용해 몇 가지 대표적인 세포막 단백질 (e.g. EGFR, Trk)을 살아있는 세포에서 실시간으로 관찰하고, 특히 활성화 단계에서의 병진·회전 운동의 변화를 최초로 관찰, 그 물리 화학적 의미와 함께, 단백질의 변이와 질병과의 상관관계를 규명하고자 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 당초 연구 목표의 실현을 위해 실현하기 위한 이미징 탐침(imaging probe)은, i) 광학적-탈색 (photo-bleaching)이나 깜빡임 (photo-blinking)이 없이 광학 안정도가 확보되어야하고, ii) 단일 기능기를 가져서(mono-functionalized) 주변 단백질과의 1:1 화학양론을 따라 기능화되어야한다. 또한 iii) 전·자기장의 편광방향에 의존하는 탐침을 구현해서 그 방향성 (orientation)을 측정할 수 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 1. 광학적으로 안정한 금 나노입자를 이용해 탐침 물질을 합성하고자 하며, 2. 프아송 분포를 극복할 수 있는 표면화학을 이용해 세포막 단백질을 기능화하고자 한다. 동시에 3. 비대칭성(asymmetric) 금 나노입자를 전략적으로 구현해서 4. 편광 방향에 의존하는 암시야 현미경 개발을 계획하였다. 3 년간의 연구를 통해 (2017.03 – 2020.02), 살아있는 세포에서 EGFR의 측면 분산 및 회전 운동을 단분자 수준으로, 실시간 관찰함으로써 세포가 외부 환경의 변화를 감지하거나 단백질이 활성화될 때 나타나는 분자수준의 현상을 관찰, 이해하였다. 1-3. 프아송 분포를 극복하기위해 금 나노입자의 표면화학 및 DNA origami를 이용, 비대칭(선형) 탐침 및 4. 편광 암시야 현미경을 개발하였으며, 5. 살아있는 세포에서 단일 단백질 (EGFR, Epidermal Growth Factor Receptor)의 측면 및 회전 분산을 실시간 관찰, 이를 통해 이합체(dimer)로의 변화와 구조적 형태 변화(단백질-지질 인력에 의한)의 동시 해석이 가능하였다. (출판 논문 : Nat. Protoc. 2017, J. Am. Chem. Soc. 2018, Angew. Chem. Int. Ed. 2019) □ 연구개발결과의 중요성 나노입자를 이용한 세포막 단백질의 동적 연구, 또는 나노막대 (nanorod)를 이용한 입자의 방향성 측정 등은 일부 이루어 진 바 있으나, 표면 기능화, 표면화학 등의 제안 때문에 실제 살아있는 세포 표면에서 실시간으로 관찰하는 것은 어려운 일이다. 본 연구는 유·무기 합성 화학을 이용, 이러한 한계를 극복하고, 생명 현상을 해석하는 융·복합 성격의 연구라 할 수 있다. 본 연구에서 도출하고자 하는 물리량은 아직 연구된 바 없어 독창성 및 선도성이 높다고 할 수 있다. 반면, 본 연구자의 예비 실험 및 이전 연구에서의 합성·표면화학 기술은 그 한계를 극복할 수 있는 원천 기술로 사용될 수 있어 실현 가능성이 매우 높으며, 향후 많은 생물학 및 생물리학 분야의 연구에 좋은 도구로 사용될 수 있는 기반기술이 될 것이라 생각된다. 나아가 단백질 활성 메커니즘 규명, 약품개발 등에 직접적으로 영향을 줄 수 있어 의약 산업 및 질병 치료에 기반기술이 될 수 있다. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
