IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단, 고해상도 비표지 간섭산란 현미경 개발
출‧퇴근 길 도로 같은 교통 체증 현상이 세포 속에서도 발생함을 확인
세포 내에서 물질을 운송하는 ‘소포(vesicle)’가 출퇴근 길 도로 정체 같은 교통 체증을 겪고 있음이 확인됐다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수)과 홍석철 교수(고려대 물리학과) 연구팀은 살아있는 세포 속에서 활발하게 이동하고 있는 소포의 움직임만을 선택적으로 추적할 수 있는 새로운 현미경을 개발했다.
얇은 지질막으로 둘러싸인 작은 주머니 모양의 소포는 호르몬, 효소, 신경 물질 등을 그 속에 담아 이들이 필요한 세포 내 적시 적소에 배달하는 일종의 우편배달부다. 우편물 오배송처럼 소포가 엉뚱한 곳에 물질을 배달하거나, 운송이 지연되면 다양한 질환이 발생할 수 있다. 소포 수송(vesicle traffic)의 작용 원리를 규명한 세 명의 연구자는 2013년 노벨 생리의학상을 수상하기도 했다.
지금까지 소포의 수송 원리, 소포와 세포 소기관의 상호작용 분석 등 연구는 형광 현미경을 주로 사용했다. 하지만 형광 현미경을 이용하면 형광 표지된 특정 소포들의 수송 과정만 관찰할 수 있고, 형광 신호가 유지될 수 있는 제한된 시간 내에서만 관찰할 수 있는 한계가 있었다. 즉, 세포 속의 복잡한 골격망을 따라 수송되는 수많은 소포의 전체적인 수송 현상을 시각화하는 것이 어려웠다.
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단은 자체 개발한 간섭산란 현미경을 이용해 복잡한 세포 속에서 이동하고 있는 소포들의 이동 궤적을 장시간 정밀하게 추적하는 데 성공했다. 연구진은 30분이 넘는 장시간 동안 세포의 핵 주변에서부터 라멜리포듐으로 이어지는 영역에서 100개 이상 소포들의 이동 궤적을 동시에 추적했다.
* 간섭산란 현미경(interferometric scattering microscopy): 단일 나노 크기의 입자 또는 생물 분자의 질량 측정 및 브라운 확산 과정을 고속으로 추적할 수 있는 고감도 비표지 간섭 현미경.
추적 영상은 초당 50Hz의 영상 촬영 속도(1초에 50장의 이미지 재생)로 얻었다. 이 과정에서 획득한 소포 위치 정보를 이용해 세포 내부의 고속도로라고 할 수 있는 골격망의 공간적 분포를 고해상도로 재구성하는 데도 성공했다.
* 라멜리포듐(lamellipoduim): 얇고 짧은 액틴 필라멘트의 분기된 네트워크 구조를 포함하고 있는 널찍한 부채 모양의 세포 가장자리 돌출부.
연구진은 기존 연구에서 알려진 바 없는 소포의 새로운 수송 특성도 확인했다. 수송 과정에서 소포들이 국소적으로 이동 정체 현상을 겪기도 하지만, 여러 소포들이 함께 긴 거리를 동일한 방향으로 이동하는 집단 수송 방식, 수송 중인 소포 뒤에 달라붙어 함께 이동하는 히치하이킹 수송 방식 등을 이용해 세포 속 정체 현상을 효과적으로 극복하기 위한 수송 전략을 갖추고 있음을 밝혀냈다.
제1저자인 박진성 연구원은 “매우 복잡하고 미시적 세계인 세포 속 환경에서 대도시 사람들이 도로 위에서 일상적으로 경험하는 교통 체증 현상이 유사하게 나타났다”며 “세포가 트래픽 문제를 극복하기 위해 채택하는 효율적 수송 전략을 찾아 생명현상과 어떻게 연관되는지 규명해 볼 계획”이라고 말했다.
더 나아가 연구진은 개발한 현미경에 형광 표지된 세포 속 분자를 관찰할 수 있는 형광 현미경을 결합한 관찰 도구도 개발했다. 고속‧고해상도 간섭산란 영상 기법에 화학선택적 형광 영상 기법을 접목하여 관찰 정밀도를 한층 더 높인 것이다.
홍석철 교수는 “생명현상을 고감도‧고속‧장기간 관찰하는 새로운 기술을 개발함으로써 생명현상을 분자들의 거동 관점에서 근본적으로 이해할 수 있게 됐다”며 “전주기적 추적 관찰을 통해 의학적으로 큰 파급력을 갖는 발견이 가능해질 것”이라고 말했다.
조민행 단장은 “살아있는 세포를 형광에 의존하지 않고 초고분해능으로 관찰하는 데 성공함으로써 생명현상을 미시적 관점에서 생생하게 밝혀낼 새로운 전기를 마련했다”고 말했다.
연구결과는 11월 14일(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 16.6)’온라인 판에 게재됐다.
각각의 영상은 50Hz의 촬영 속도로 180초 동안(9,000 frame에 해당) 세포의 라멜리포듐 영역에서 포착된 백여 개 이상 소포들의 운동을 추적하여 재구성한 것이다. 영상 내 색상은, 각각의 픽셀 위치에서 일정 시간 동안 관찰된 소포들의 개수를 나타내는 것으로, 세포 골격망 상에서의 트래픽 밀도(traffic density)를 보여준다. 그림 하단의 노란 점선은 세포의 가장자리 경계면을 나타낸다.
[그림 2]의 다섯 번째 그림에 표시된 흰색 사각 영역에 소포들이 밀집되어 있음이 관찰됐다. 이 영역의 소포들은 서로 이동을 가로막아 정상적으로 이동하지 못하고 있다. 맨 오른쪽 그림은 왼편에 나타낸 모든 소포들의 이동 궤적을 그린 것인데, 정체되어 움직임이 제한된 소포들의 궤적은 회색으로 표시했다.
■ 연구 추가 설명
① 논문명/저널명
Long-term cargo tracking reveals intricate trafficking through active cytoskeletal networks in the crowded cellular environment/Nature Communications
② 저자정보
Jin-Sung Park, Il-Beum Lee, Hyeon-Min Moon, Seok-Cheol Hong, and Minhaeng Cho
③ 연구 이야기
[연구 배경] 살아있는 세포 내부는 매우 복잡한 미세 환경을 나타낸다. 따라서, 이러한 미세환경 속에서 이동하고 있는 작은 소포들의 동적 특성 관찰을 위해서는 형광 표지를 통한 형광 현미경 기반의 연구가 필수적이라 여겨져 왔다. 그러나, 형광 영상 연구는 표지되지 않은 다른 소포들 뿐 아니라 주변 세포 속 미세환경을 동시에 관찰할 수 없다는 단점이 있다. 따라서, 형광 표지 없이 세포 속 미세 환경에서 이동하고 있는 다수의 소포들의 움직임을 동시에 포착할 수 있는 새로운 비표지 기반의 현미경 장치 개발이 필요하다.
[어려웠던 점] 본 연구팀에서 자체 개발한 간섭산란 현미경은 고감도로 세포 속 미세 환경을 관찰할 수 있다는 장점이 있으나, 형광 표지가 없기 때문에 이동하는 소포와 그 주변을 둘러싼 불특정 세포 속 환경으로부터 함께 산란되어 나오는 신호를 구분하기가 어렵다. 또한, 간섭산란 현미경은 주변 노이즈, 온도 변화와 같은 외부 환경에 민감하게 영향을 받기 때문에, 안정적인 실험 조건을 유지하는 데에 특별히 많은 노력을 기울였다.
[성과 차별점] 세포 골격망을 따라 이동하는 다수의 불특정 소포들을 동시에 관찰함으로써, 형광 표지 기반의 연구에서 확보 불가능한 수준의 방대한 양의 소포 위치 데이터를 획득하였다. 나노미터 수준의 정밀도로 추적한 소포 이동 위치 좌표를 이용해 소포 이동의 주요 수송로가 되는 세포 내부 골격망의 미세 구조를 재구성할 수 있었는데, 이는 비표지 방식으로 고해상도 골격망 구조를 관찰한 최초의 결과라 할 수 있다. 또한, 다수의 소포 추적 과정에서 세포 내부의 국소 영역에서 발생하는 소포 traffic jam 현상, 그리고 소포들의 집단적 이동 (collective migration) 현상 등 일련의 흥미로운 소포 트래픽 현상을 관찰하는 데에 성공하였다.
[향후 연구계획] 현재 개발된 간섭산란 현미경은 형광 표지된 분자를 동시에 관찰할 수 있는 형광 현미경이 결합되어 있다. 즉, 형광 표지된 특정 소기관 또는 세포골격을 별도로 구분해, 다수의 불특정 소포의 거동과 비교 분석하는 것이 가능함을 의미한다. 이를 이용해 앞으로 소포의 동력학적 특성에 대한 영상 취득 뿐 아니라, 이러한 소포 수송에 관여할 것으로 예상되는 세포의 기능적 측면을 이해하기 위한 연구를 수행하고자 한다.
■ 연구진 이력사항
<조민행 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구단장, 교신저자 >
1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단
고려대학교 화학과
○ 전 화 : 82-2-3290-3133
○ e-mail : mcho@korea.ac.kr
2. 학력
○ 1983 – 1987 서울대학교 화학과 학사
○ 1987 – 1989 서울대학교 화학과 석사
○ 1989 – 1993 University of Chicago 물리화학 박사
3. 경력사항
○ 1994.01 – 1996.02 Massachusetts Institute of Technology 연구원
○ 2004.03 – 2004.08 University of California 방문교수
○ 1996.03 – 현재 고려대학교 이과대학 화학과 교수
○ 2014.12 – 현재 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구단장
○ 2007 – 현재 Editorial Advisory Board, Chem. Phys.
○ 2015 – 2017 Editorial Advisory Board, J. Chem. Phys.
4. 수상실적
○ 2012 NAS Award, NAS
○ 2022 Nobel Symposium (NS 173), Royal Swedish Academy of Science,
Sweden
○ 2023 Academic Excellence Award, KCS
<홍석철 고려대학교 물리학과, 교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 고려대학교 물리학과
○ 전 화 : 82-2-3290-3112
○ E-mail: hongsc@korea.ac.kr
2. 학력
○ 1992 ~ 1995 서울대학교 물리학 학사
○ 1996 ~ 2002 UC Berkeley 물리학 박사
3. 경력사항
○ 2002 ~ 2004 UC Berkeley 분자세포생물학과 post-doc
○ 2004 ~ 현재 고려대학교 물리학과 조교수, 부교수, 정교수
○ 2015 ~ 현재 고려대학교 IBS 분자분광학 및 동력학 연구단 참여교수
<박진성 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구원, 제1저자>
1. 인적사항
○ 소속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단
○ e-mail : jspark@korea.ac.kr
2. 학력
○ 1990 ~ 1997 건국대학교 물리학 학사
○ 1997 ~ 1999 고려대학교 물리학 석사
○ 1999 ~ 2004 고려대학교 물리학 박사
3. 경력사항
○ 2009 ~ 2012 하버드대학교 물리학과 post-doc
○ 2012 ~ 2016 한국과학기술원 기계공학과 연구교수
○ 2016 ~ 현재 고려대학교 IBS 분자분광학 및 동력학 연구단 연구교수
출처 : 기초과학연구원
'의학' 카테고리의 다른 글
| 비자나무 잎 정유, 천식 치료의 새로운 희망 (0) | 2023.11.21 |
|---|---|
| 대사이상 지방간 환자, 알코올 섭취 시 심혈관질환 위험 2배↑ (0) | 2023.11.19 |
| IBS 연구진, 공포 기억 조절하는 억제성 신경세포 발견 (0) | 2023.11.09 |
| ‘주사 주입형 바이오 신소재’ 근육·신경 손상 빠른 재생 돕는다 (0) | 2023.11.05 |
| 류머티즘성 관절염 치료에 효과적인 나노 하이브리드 시스템 개발 (0) | 2023.11.01 |
