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Research

세포 속 도로 교통 상황, 나노 GPS로 확인한다!

  • 조회. 431
  • 등록일. 2022.07.28
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST 서대하 교수팀, 금 나노 입자를 이용하여 엔도좀의 3차원 회전운동을 관찰할 수 있는 초분해능 현미경 기술 개발

- 세포 내 수송에서 미세한 3차원 회전을 관찰함으로써, 세포 수송을 보다 정확히 이해, 질병 진단 기술로 발전할 것으로 기대

 

 DGIST(총장 국양) 화학물리학과 서대하 교수 연구팀이 우수한 공간 및 시간분해능을 가지는 암시야 초분해능 현미경을 개발하고, 이를 활용하여 세포 내 수송과정에서 나타나는 엔도좀의 동적거동을 관찰했다고 밝혔다. 이를 이용한 살아 있는 세포의 장시간 관찰은 기존에 풀지 못한 생물학적 난제를 풀 수 있을 것이라 기대된다.

 엔도좀이란 세포내 섭취(endocytosis)를 통해서 세포질에 형성된 생체막으로 둘러싸인 액체주머니로 이는 세포 내 도로망(미세소관)을 따라 움직이는 운동 단백질에 의해 적절한 시간과 장소로 운송된다. 이 과정에서 엔도좀의 이동 및 3차원 회전 분석은 세포내의 수송의 분자생물학적 이해에 중요한 열쇠가 될 수 있다.

 화학물리학과 서대하 교수 연구팀은 엔도좀의 병진, 회전 운동을 실시간 관찰하기 위한 방법으로 엔도좀 내 두 개의 나노 탐침을 위치시키고, 이를 구분하고 오랜 시간 관찰할 수 있는 초분해능 현미경을 개발하였다. 광탈색이 없는 금 나노 입자를 사용하고 선형 편광을 빠르게 회전 조사하며, 평관 의존 산란 신호를 초분해능 알고리즘으로 재해석하는 일련의 과정을 통해, 단시간(1초 이내)에 초분해능 이미지를 얻고, 연속 촬영을 통해 장시간 동안의 영상을 촬영하였다.

 이를 이용하여, 엔도좀의 3차원 동적 거동을 관찰, 수송 중 일어나는 병진 및 회전 운동을 분석하였으며, 기존에 측정할 수 없었던 생물학적 회전 물리량 및 이들의 통계적 분포를 도출하였다.

 DGIST 화학물리학과 서대하 교수는 이번 이미징 기술 개발을 통해 세포내 수송 과정을 수 십 나노미터 수준의 분해능으로 관찰하고, 엔도좀의 줄다리기 모델을 직접 확인할 수 있었다.”분자수준의 생명 현상을 밝히는 데 기여할 뿐만 아니라 질병진단을 위한 정밀 의료에도 적용될 수 있을 것이라 기대된다.”고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 선도연구센터 그리고 DGIST의 과학기술선도기초연구(HRHR+), 그랜드챌린지연구혁신프로젝트 (D-GRIP)의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 국제학술지인 미국화학회 골드지’(JACS Au)2022519일자로 온라인 게재되었고, 725일자로 학술지 표지 논문(supplementary cover)으로 선정되었다.

 

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연구결과개요

Two GPSes in a ball: deciphering the endosomal tug-of-war using plasmonic dark-field STORM

(진시우, 박지성, 이원희, 안용덕, 박영찬, 박민수, 황인찬, 서관용, 서대하*)

(JACS Au, on-line published on 05.19.2022)

세포는 외부로부터 신호의 전달 및 영양분의 흡수 등을 위해 세포내 이입을 유도하여 소포를 형성하고, 이들은 미세소관을 이동하는 운동 단백질을 통해 적절한 시간, 적절한 장소로 수송된다. 미세소관을 따라 수송되는 이 엔도좀의 효율성은 세포의 항상성 유지와 비정상적인 수송에 의해 유발되는 질병을 이해하는데 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 비등방성 나노 탐침의 합성 및 표면화학, 광학 현미경의 개발 및 초고분해능 알고리즘, 영상 분석 알고리즘 등을 이용하여 입자의 병진 및 회전 운동을 관찰함으로써 3차원 동적 거동을 고분해능으로 영상화하였다.

특히 두 개의 나노입자가 내부에 결합된 형태의 엔도좀을 관찰하면, 두 입자의 상대적인 위치를 추적함으로써 회전운동을 관찰할 수 있는데, 이렇게 재구성된 초분해능 이미지는 주사전자현미경 (SEM)과 유사한 수준의 정확성을 보이며, 기존 기술로는 불가능했던 살아있는 세포에서의 엔도좀 회전운동을 정밀하게 관하는데 성공하였다.

본 이미징 기술은 기존 초분해능 기술보다 우수한 광학안정성 광학 성질을 보여 살아 있는 세포의 장시간 관찰을 통한 분자의 실시간 추적을 가능하게 하였다. 이것은 향후 분자수준에서의 다양한 세포내 생명 현상을 밝히는 연구에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 시간의존적인 물리량을 도출함으로써 새로운 관점에서의 질병 진단의 기반이 될 것이라 기대된다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

이번 성과는 관찰하고자 하는 세포 소기관에 두 개의 탐침을 위치시킴으로 위치의 변화 및 회전운동을 동시 관찰할 수 있다는 점이다. 또한 기존의 초분해능 현미경은 형광탐침을 활용하기 때문에 광학적 안정도가 떨어져서 장시간 관찰이 어렵지만, 본 성과는 금속 나노입자를 활용하기 때문에 세포 내 수송과정을 장시간 관찰하여, 기존에 관찰하지 못하였던 생물물리학적 측정값을 도출하는데 성공하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

분자수준에서의 다양한 세포내 생명 현상을 밝히는 연구에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 시간의존적인 물리량을 도출함으로써 새로운 관점에서의 질병 진단의 기반이 될 것이라 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

본 기술의 가장 큰 장점은 기존 실험실의 현미경에 간단한 거울의 설치만으로 초고분해능 기술을 활용할 수 있다는 점이라, 실험실 수준에서의 구현은 당장 가능하다. 다양한 타겟를 관찰하기 위해, 나노 입자의 표면에 표적물질을 붙이는 것이 선행된다면 본 기술은 높은 범용성가질 것으로 기대된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

세포는 항상성을 유지하기 위하여, 세포는 어떻게 적절한 시간 및 위치로 물질을 수송하게되는 것일까? 라는 간단한 질문으로 본 연구가 시작되었고 이것은 다양한 질병(특히 운동 단백질과 관련된)과 관련이 있음을 문헌을 통해 알게되었다.

연구의 시작은, 정상적인 세포는 효율적인 수송을 위해 어떠한 메커니즘으로 이용하는지에 대한 궁금증 시작되었고, 현재 질병에 걸린 세포의 수송은 어떠한 차이를 보이는지 후속연구를 진행중이다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

현재 세포/조직 수준에서 보이는 단백질( 및 유전체)의 발현양을 바이오마커로 질병을 진단하며 많은 경우 바이오마커로써의 활용 가능성에 논란이 있다. 본 연구는 단백질 및 세포 소기관의 동적 거동을 관찰하는 기술로 이들의 기능적인 측면을 영상화하고 수치화하는 연구이며, 이곳에서 측정된 물리량이 질병과 상관관계가 있기에, 가까운 미래에 단일 입자, 단일 분자, 단일 소기관의 관찰만으로 질병을 진단할 수 있는 초석이 될 것으로 생각된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

엔도좀 뿐만 아니라, 세포내 단백질 및 소기관의 병진 및 회전 운동을 더 정밀하고, 빠르게 측정하는 방법을 개발하고, 이들의 동적 변화와 질병과의 상관관계를 파악해서 초정밀 의료기술에 기여하고자 한다.

 

 

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그림설명

[그림 1] 살아있는 세포에서 세포내 엔도좀의 회전 관찰

두 개의 GPS 나노입자가 포함된 엔도좀을 관찰하면, 회전 운동을 관찰할 수 있다. (출처: Journal of American Chemical Society Au, 2022)

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135