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허원도 교수, 변화무쌍 스위치 단백질 관찰하는 바이오센서 개발
〈 허 원 도 교수 〉
우리 대학 생명과학과 허원도 교수 연구팀(기초과학연구원 인지 및 사회성 연구단)이 신호전달 스위치단백질의 활성을 모니터링하는 새로운‘바이오센서’를 개발하고 살아있는 생쥐의 신경세포 활성화를 관찰하는데 성공했다.
이번 연구를 통해 암세포의 이동과 신경세포 활성화 등 다양한 세포 기능에 관여하는 신호전달 스위치 단백질의 변화무쌍한 과정을 실시간으로 볼 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)에 1월 14일자 온라인 판에 게재됐다.
세포의 신호전달 스위치 단백질은 스위치가 켜지면 기계가 작동하듯 활성화 여부로 세포의 기능을 제어한다. 대표적인 신호전달 스위치단백질인 small GTPase은 세포의 이동, 분열, 사멸과 유전자 발현 등에 관여한다. 핵심 단백질인 small GTPase를 제어할 수 있다면 세포의 기능도 조절할 수 있어 많은 연구팀들이 연구주제로 삼고 있다.
허원도 교수 연구팀이 그간 연구 노하우를 바탕으로 개발한 새로운 바이오센서는 small GTPase 활성의 모든 변화 과정을 실시간으로 볼 수 있는 도구다. 광유전학과 결합해 다양한 방식으로 관찰이 가능하고 민감도가 커 생체 내 두꺼운 조직 안에서 벌어지는 수 나노미터(nm) 크기의 변화까지도 정밀하게 볼 수 있다는 게 특징이다. 고감도 성능을 이용하면 살아있는 동물의 암세포 전이 및 뇌 속 신경세포의 구조변화를 관찰할 수 있어 향후 강력한 이미징 기술이 될 것으로 기대된다.
일반적으로 small GTPase의 활성을 관찰하는 데엔 형광 공명 에너지전달(FRET) 방식을 이용했다. 하지만 FRET 방식은 광유전학과 광 파장이 겹쳐 정작 관찰해야 할 세포신호의 변화는 보기가 어려웠다. 또 민감도가 낮아 동물 모델에 적용하는 것도 제한적이었다.
연구팀은 단백질 공학 기술로 5가지 종류의 small GTPase 단백질의 바이오센서를 개발하고 두 가지 파장(488nm, 561nm)에서 관찰이 가능한 바이오센서를 개발, 이를 동시에 분석하는데 성공했다. 연구진이 개발한 바이오센서는 기존 바이오센서가 청색광을 활용하는 광유전학 기법의 파장과 겹치는 문제를 효과적으로 극복해 세포의 이동방향을 살피면서 동시에 공간적 기능도 분석할 수 있는 장점이 있다.
연구팀은 유방암 전이 암세포에 바이오센서를 발현시키고, 광유전학 기술로 암세포 이동 방향을 조절하자 small GTPase 단백질이 활성화됨을 확인했다. 이 과정에서 암세포의 이동 방향이 변할 때, 세포 내 small GTPase가 이리저리 움직이며 활성화하는 모습을 실시간 이미징하는데 성공했다. 연구진은 small GTPase의 활성을 실시간으로 탐지해 추후 암치료물질을 탐색하는 등 다방면의 기술 접목이 가능할 것으로 전망한다.
더 나아가 IBS 연구진은 미국 막스 플랑크 플로리다 연구소(Max Plank Florida Institute)의 권형배 박사 연구팀과 공동연구를 진행했다. 연구진은 공 위를 달리는 실험으로 깨어있는 생쥐인 실험군과 마취된 대조군의 뇌 영역의 운동 피질의 신경세포에서의 small GTPase단백질의 활성을 비교하는데 성공했다. 살아있는 쥐에서 수 나노미터 단위의 신경세포 수상돌기 가시 수상돌기 가시에서 실시간으로 변화하는 small GTPase 단백질의 활성을 관찰한 것은 이번이 처음이다.
이번에 개발된 바이오센서는 시냅스처럼 수 마이크로미터 단위의 미세한 구조에서도 목표한 단백질을 관찰할 수 있을 만큼 민감도가 크다. 실험쥐의 운동행동과 같은 생리학적 현상에 지장을 주지 않는 자연스러운 상태에서 뇌 영역을 바로 실시간으로 관찰할 수 있어 뇌 관련 연구에도 다양하게 적용될 수 있다.
연구를 이끈 허원도 교수는 “이번 연구는 small GTPase 단백질을 생체 내에서 관찰하기 위한 기존의 바이오센서들의 기술적 한계를 극복하는데 성공했다”며 “특히 청색 빛을 활용한 광유전학 기술과 동시에 적용할 수 있어 다양한 세포막 수용체와 관련된 광범위한 세포신호전달연구와 뇌인지과학연구에 접목이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. small GTPase 바이오센서 개발
그림2. small GTPase 바이오센서를 이용해 유방암 전이 암세포 관찰
그림3. 운동 행동 중인 생쥐 실시간 관찰
2019.01.15 조회수 10588 -
생체 모방 반사형 디스플레이 원천기술 개발
- 신중훈 교수팀, 유리구슬 이용해 ‘몰포나비’구조 과학적으로 구현 -
- 나노미터 수준에서 질서와 무질서 동시에 재현하는 데 성공 -- 밝고 전력소모 적은 차세대 반사형 디스플레이 만들 수 있어 -
무지개, 공작새 등의 영롱한 색은 투명한 물질들의 주기적인 구조에 의해 반사와 간섭을 거치면서 만들어지는 ‘구조색’인데 구조색의 특징은 매우 밝고, 보는 각도에 따라 색이 바뀐다는 점이다.
반면 ‘몰포나비’는 밝은 구조 색을 가지면서도 다양한 각도에서 똑같은 푸른 빛깔을 낸다. 이는 질서와 무질서를 동시에 포함하는 몰포나비 날개의 독특한 구조 때문이다.
우리 학교 물리학과·나노과학기술대학원 신중훈 교수 연구팀이 몰포나비와 같이 무질서와 질서를 동시에 포함하는 구조를 유리구슬을 이용해 완벽하게 대형으로 재현하는 데 성공했다.
이번 연구 성과는 외부 빛을 반사시켜 화면을 출력하는 반사형 디스플레이를 구현할 수 있는 원천기술로, 밝으면서도 전력소모가 매우 적은 디스플레이를 만들 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이와 함께 이 기술을 이용해 5만원권의 부분 노출 은선을 만들어 위조나 복제가 어려운 화폐를 만들 수 있고, 기존의 색소에 의한 색과는 다르게 번쩍거리는 느낌을 주기 때문에 핸드폰이나 지갑 등의 코팅재로도 각광받을 것으로 예상된다.
몰포나비의 날개 구조는 1μm(마이크로미터) 수준에서 관찰하면 주기적인 질서를 갖고 있는 것처럼 보이지만, 100nm(나노미터) 수준에서는 주기성을 상쇄시킬 수 있는 무질서함을 구조 속에 포함하고 있다. 그동안 학계에서는 나노미터 수준에서 질서와 무질서를 동시에 포함하는 구조를 완벽히 재현하는 데에는 아무도 성공하지 못했다.
반면 신 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 다양한 크기를 갖는 수백 나노미터(nm) 크기의 유리구슬을 임의로 배열해 무질서함을 구현했고 또, 배열된 유리구슬 위에 반도체 증착 방법을 통해 주기적인 박막을 쌓아 넓은 면적의 몰포나비의 구조를 만드는 데 성공했다.
새롭게 개발된 박막은 몰포나비의 색과 밝기의 재현을 넘어 실제 몰포나비 보다도 각도에 따른 색의 변화가 훨씬 더 적은 우수한 성질을 지니고 있다.
연구진은 또 이 박막을 얇은 플라스틱 필름 안에 파묻음으로써 몰포나비보다 더 우수한 성질을 유지하면서도, 더욱 견고하고 종이처럼 접을 수 있는 신 개념 재료를 세계 최초로 구현해 냈다.
신중훈 교수는 “이번 연구 성과는 최근 각광받고 있는 생체모사 기술의 대표적 성공사례”라고 강조하고 “구조색을 이용하는 반사형 디스플레이 뿐 아니라 센서, 패션등 매우 다양한 분야에서도 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이 결과는 재료분야 최고 권위 저널 중 하나인 어스밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)지 온라인 판에 게재됐으며, 5월 8일자 내부 표지논문으로 게재될 예정이다. 지난 5월 3일에는 네이처(Nature)지에 주목받는 연구(Research Highlights)로 소개되기도 했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 물리학과·나노과학기술대학원 신중훈 교수 (제1저자 정경재 박사과정 학생)와 서울대 전자과 박남규 교수, 그리고 삼성 종기원이 공동으로 수행했으며 한국연구재단과 교육과학기술부의 세계수준의 연구중심대학육성사업(WCU)의 지원을 받았다.
그림1. 몰포나비를 모방해 연구팀이 만든 박막. 다양한 색깔을 구현할 수 있다.
그림2. 몰포나비를 모방해 연구팀이 만든 박막. 플렉서블하면서도 크게 만들 수 있다.
2012.05.01 조회수 15386 -
DNA를 이용한 2나노급 반도체 원천기술 개발
- 그래핀 위에 수나노급 극미세 패턴용 DNA를 정렬해 조립성공 -- “플렉서블한 2나노미터 급의 초미세 나노패턴 길 열어”-
반도체 회로의 초미세 제품개발 경쟁이 치열하다. 최첨단 반도체 기술로도 10나노미터 이하의 반도체 제작은 불가능하다고 알려져 있어 신물질을 이용한 차세대 반도체는 국가경쟁력 강화를 위해 반드시 풀어내야 할 숙제다.
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 DNA를 그래핀 위에서 배열시키는 기술을 활용해 초미세 반도체 회로를 만들 수 있는 원천기술을 개발하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.
김 교수팀의 신기술 개발로 기존에 사용되고 있는 물리적 방식의 최첨단기술로도 불가능하다고 여겨졌던 2나노미터급의 선폭을 갖는 반도체가 개발될 것으로 기대된다. 2나노 반도체가 개발되면 우표 크기의 메모리 반도체에 고화질 영화 10000편을 저장하는 등 현재 상용화중인 20나노급 반도체보다 약 100배의 용량을 담을 수 있게 된다.
최근 광식각 패턴기술을 적용해오던 반도체 회로의 크기가 물리적 한계에 도달해 생체소재를 이용해 초미세 회로을 제작하는 연구들이 전 세계적으로 관심을 모으고 있다. 이중 DNA의 경우 2나노미터까지 정교한 미세패턴을 구현가능다고 알려져 있어 차세대 신소재로 각광받고 있다.
연구팀은 ‘DNA 사슬접기‘라고 불리는 최첨단 나노 구조제작 기술을 이용하면 금속나노입자나 또는 탄소나노튜브를 2나노미터까지 정밀하게 조절할 수 있는 점에 착안했다. 그러나 이 기술은 실리카나 운모 등 일부 제한된 특정 기판위에서만 패턴이 형성돼 반도체칩에는 적용이 불가능했다.
김상욱 교수팀은 다른 물질과 잘 달라붙지 않는 그래핀을 화학적으로 개질해 표면에 다양한 물질을 선택적으로 흡착하도록 만들었다.
개질된 그래핀은 원자수준으로 매우 평탄하면서도 기계적으로 잘 휘거나 변형되는 그래핀의 장점을 갖기 때문에 이 위에 DNA 사슬접기를 패턴화하면 기존에는 불가능했던 잘 휘거나 접을 수 있는 형태의 DNA 회로구성이 가능할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 “반도체업계의 지각변동이 계속되는 가운데 실리콘기반 반도체 기술은 한계에 이르렀다”며 “앞으로 신물질 차세대 반도체 개발에 커다란 파급효과를 불러일으킬 것”이라고 말했다.
이어 김 교수는 “다양한 기능을 발휘하는 그래핀 소재 위에 2나노급의 초미세 패턴을 구현할 수 있는 DNA 사슬접기를 배치시키는 기술은 기계적으로 유연한 나노반도체나 바이오센서 등 다양한 분야에 원천기술로 활용될 것”이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구결과는 화학분야의 세계 최고 권위의 학술지인 "앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)" 1월호에 표지논문으로 발표됐으며 관련 기술은 국내외 특허출원을 마쳤다.
<용어설명>
○ 그래핀: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재
○ 광식각 기술 : 빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술
○ DNA 사슬접기 : 긴 단일 DNA 사슬 하나와 정교하게 설계된 짧은 단일 DNA 사슬들이 염기 서열 규칙에 따라 이중나선 DNA 구조로 접히면서 다양한 모양의 나노구조물을 형성하는 생체소재 ☞ 잘 알려진 바와 같이 DNA는 염기서열에 따라 규칙적으로 결합되어 유전정보를 저장하는 생체소재이며, 2006년도에 최초로 개발된 DNA Origami (DNA 사슬접기)는 긴 DNA 사슬을 마치 뜨개질하듯 정밀하게 설계된 짧은 DNA 사슬들과 결합시켜 다양한 형태의 나노 구조물을 만드는 최첨단 나노기술이다.
○ 탄소나노튜브: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재
○ 나노 기술 : 1나노미터는 10억분의 1m다. 즉 사람 머리카락의 1만분의 1 굵기로 반도체 회로를 그려넣는 초미세 가공기술이다. 반도체는 회로선 폭이 가늘어질수록 원가가 절감되고 에너지 효율도 높아진다
[그림] DNA들이 결합하면서 DNA 오리가미를 형성과 함께 그래핀 산화물 표면과 질소도핑/환원 그래핀 산화물 표면에 흡착되는 모습.
2012.02.06 조회수 14641 -
김학성 오은규 연구팀 나노 입자 이용한 단백질 상호작용 분석기술 개발
상호작용 분석을 위한 다양한 특성의 금 나노입자 제조 기술도 함께 확보
두가지 나노 입자 사이의 물리적 특성변화를 이용, 서로 다른 단백질간의 상호작용을 고감도, 초고속으로 분석하는 기술이 KAIST 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST 생명과학과 김학성(金學成, 48, 교수), 오은규(吳恩圭, 34, 박사과정) 연구팀은 서로 다른 색상의 형광을 내는 두 개의 나노입자가 10나노미터 이내로 가까워지면 그 사이에 에너지 전달이 생겨, 각자의 형광스펙트럼이 달라지는 현상인 FRET(형광공명에너지전이) 방식을 이용, 단백질의 상호작용을 분석하는 시스템을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다.
또한 金 교수팀은 수용액에서 안정성이 좋고 단백질 결합이 용이한 표면을 지닌 금 나노입자 제조기술도 함께 개발했다.
10나노미터 이하의 금속나노입자를 이용, 표적물질의 스크리닝, 세포 이미징, 단백질 상호작용 분석 등에 활용하는 기술이 최근 생명공학 분야에서 주목받고 있다. 특히 단백질 상호작용을 고감도, 초고속으로 분석하는 기술은 각종 질병의 진단, 의약품의 개발, 생명현상의 규명 등에 매우 중요하기 때문에 수많은 연구개발이 진행되고 있다.
기존의 연구개발은 주로 단일나노입자를 만들어 여기에 단백질 등의 바이오물질을 붙이는 기술에 집중되어 왔지만, 金 교수팀은 FRET 방식을 이용, 서로 다른 나노입자의 물리적 특성변화를 이용해 단백질 상호작용에 대한 분석이 가능하게 만들었다. 이 기술은 앞으로 질병진단, 의약품 개발, 세포내 단백질 상호작용 규명 등에 활용될 수 있는 기반 기술로, 국내외에 특허출원하였고 관련연구는 미국 화학회지(JACS) 인터넷판에 최근(2.19) 발표되었다.
위 사진 : 금 나노입자와 반도체 양자점을 이용한 inhibition assay(저해물질 분석) 도면
(사진2) 크기에 따라 다른 색상을 띠는 금 나노입자좌1. 금염수용액 고유의 노란색, 나머지 8개 샘플. 금염수용액으로부터 다양한 크기로 제조된 금 나노입자
(사진3) 좌. 금염과 리간드가 단순히 섞여있는 용액 / 우. 좌로부터 형성된 금 나노입자
2005.02.23 조회수 22275