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지질 뗏목의 원리 밝혀 질병 치료에 희소식
지질 뗏목은 세포막 간 융합, 신호 전달, 바이러스 침투 등 세포 기능과 질병 발병의 핵심 과정에 중요한 역할을 한다. 한국 연구진이 지금까지 알려지지 않았던 지질 뗏목의 정렬 원인과 그 조절 메커니즘을 밝혀내어 세포막 간 상호작용을 조절하여 질병 치료에 새로운 접근법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 최명철 교수팀이 고등과학원(원장 최재경) 현창봉 교수팀, 포항가속기연구소(소장 강흥식) 이현휘 박사와 공동으로 세포막 간의 상호작용을 매개하는 지질 뗏목(Lipid Raft)의 정렬 현상의 원리를 최초로 규명했다고 5일 밝혔다. 세포 융합, 바이러스 침투, 세포 간 신호 전달 등 다양한 세포막 간의 상호작용을 조절할 수 있는 핵심 기전을 밝힌 것이다.
세포막(Cell membrane)은 세포의 내부와 외부를 구분하는 얇고 유연한 막으로, 지질 이중층(lipid bilayer)으로 구성돼 있다. 세포막에는 수많은 막단백질(membrane proteins)이 존재하는데, 이들은 세포가 외부 환경과 소통할 수 있는 창구 기능을 한다.
지질 뗏목은 세포막의 특정 영역으로서, 높은 유동성을 가지는 세포막의 다른 부분들과는 달리 매우 낮은 유동성을 가지며, 기능적으로 연관된 막단백질들을 안정된 뗏목 안으로 모아 효율적인 상호작용을 가능하게 한다. 세포막을 바다로, 막단백질을 사람으로 비유하자면, 망망대해에서 멀리 떨어져 헤엄치는 사람들끼리는 서로 의사소통하기 어렵지만, 이들을 한 뗏목 위에 모두 태워 놓으면 서로 쉽게 대화할 수 있는 것과 비슷하다.
연구팀은 지질 뗏목 위에 존재하는 막단백질 중 많은 수가 세포막 간의 상호작용, 즉 두 세포막이 서로 생체신호를 주고받거나, 단백질을 통해 결합하거나, 두 막이 하나로 합쳐지는 등의 작용에 관여한다는 점에 주목했다.
연구팀은 두 세포막 간의 거리가 지질 뗏목의 정렬을 조절하는 핵심 요인일 것이라는 가설을 세우고, 세포막을 여러 겹 쌓아 놓은 구조의 지질 다중막(lipid multilayer)을 재구성해 이 가설을 검증했다. 이때 지질 뗏목들은 단순히 정렬만 되는 것이 아니라, 각각의 지질 뗏목의 크기가 커지면서 보다 안정된 구조를 형성했다. 두 세포막 사이의 거리가 지질 뗏목의 정렬과 크기를 조절하는 핵심 스위치인 것을 밝혀낸 것이다.
연구팀은 분자동역학(molecular dynamics) 시뮬레이션*을 통해 물 분자층을 분석한 결과, 지질 뗏목들이 정렬된 상태가 정렬되지 않은 상태보다 불안정한 수소결합 층의 부피가 작기 때문에 전체 시스템의 에너지를 최소화하기 위해 지질 뗏목이 자연적으로 정렬되는 것을 밝혀냈다.
*분자동역학 시뮬레이션: 분자 간 상호작용이 주어졌을 때 운동 방정식을 수치적으로 풀어 구조와 동적 과정을 해석하는 방법
최명철 교수는 “지질 뗏목이 세포막 간의 상호작용에 관여한다는 사실은 잘 알려져 있지만, 어떤 원리로 상호작용을 매개하는지는 아직 베일에 싸여 있었다”며, “이번 논문은 세포막 간의 거리가 지질 뗏목의 정렬, 나아가 세포막 사이의 상호작용을 조절하는 핵심 스위치임을 밝혀내어 생명 현상의 바탕이 되는 물리적 환경의 중요성을 재조명하는 이정표적 연구”라고 연구의 의의를 설명했다.
최 교수는 또한 “특히 물 분자의 수소결합이 지질 뗏목의 정렬을 매개하는 중요한 요소임을 보여주었는데, 이는 우리 몸의 약 70%를 차지하는 물이 생명 현상이 일어나는 무대에서 단순한 조연이 아닌 주연으로 활약할 수 있음을 보여준다”고 강조했다. 이어 최 교수는 “지질 뗏목을 모사하는 구조는 현재 생체 센서 등에 활발하게 활용되고 있으며, 이번에 발견한 세포막 사이의 거리라는 스위치를 통해 보다 다양한 기능을 가진 생체 센서들이 개발될 수 있는 공학적 토대도 제공할 것이다”라고 기대감을 내비쳤다.
우리 대학 이수호 박사와 고등과학원 박지현 박사가 공동 제1 저자로, 고등과학원 현창봉 교수와 KAIST 최명철 교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of American Chemical Society)’에 5월 22일 字 표지논문(supplementary journal cover)으로 게재됐다. (논문명: Water Hydrogen-Bond Mediated Layer by Layer Alignment of Lipid Rafts as a Precursor of Intermembrane Processes)
한편 이번 연구는 한국연구재단, 보건복지부, KAIST의 지원을 받아 수행됐다.
2024.06.05 조회수 3301 -
미생물 이용한 천연 무지개 색소 생산기술 최초 개발
우리 대학 생명화학공학과 양동수 박사와 박선영 박사를 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 `일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 8일 밝혔다.
이번 연구결과는 국제 학술지인 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난 5월 25일 字 온라인 출판됐으며, 표지논문으로 선정됐다.
※ 논문명 : Production of rainbow colorants by metabolically engineered Escherichia coli
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), 양동수(한국과학기술원, 공동 제1저자), 박선영(한국과학기술원, 공동 제1저자, 현 큐티스바이오), 포함 총 3명
우리 생활에서 널리 활용되고 있는 각종 색소는 식품과 같이 직접 섭취되거나 화장품과 같이 피부에서 흡수되기 때문에 건강과 밀접한 관계를 갖는다. 하지만 색소 중 대부분은 석유 화합물로부터 생산되는 합성 색소이며, 색소의 사용이 실생활에 널리 활용되는 만큼 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 그뿐만 아니라 합성 색소를 이용해 각종 옷감을 염색하면서 발생하는 폐수가 전체 산업용 폐수의 17~20%를 차지한다는 보고가 있을 정도로, 합성 색소는 수질오염에도 지대한 영향을 미치고 있다.
이러한 건강 문제 및 환경 오염 문제를 해결하기 위해 미생물을 이용해 천연색소를 생산해야 한다는 필요성이 제기됐으나, 값비싼 생산 공정 및 낮은 수율로 인해 산업화가 실현되기 어려운 상황이었다. 또한, 현재까지 빨강, 주황, 노랑, 파랑, 보라 등의 천연색소는 낮은 효율로 생산된 바 있으나, 초록 및 남색 천연색소 생산은 보고된 바가 없었다.
이에 이상엽 특훈교수 연구팀은 농촌진흥청이 지원하는 농업미생물사업단 (단장 장판식)의 ‘카로티노이드 생산 미생물 세포공장 개발’ 과제(과제책임자 국립농업과학원 김수진 박사)의 지원을 받아 효율적인 빨강, 주황, 노랑 3색의 카로테노이드 생산과 이를 확장한 7가지 무지개색을 모두 생산할 수 있는 기술 개발에 성공했다.
다양한 특성의 천연색소 중 연구팀은 지용성 식품과 의류 염색 등에 활용되는 소수성 천연색소에 주목했다. 연구팀은 미생물의 대사회로를 조작하는 기술인 대사공학을 이용해 카로티노이드 계열 색소인 ▲아스타잔틴(빨강), ▲베타-카로틴(주황), ▲제아잔틴(노랑)과 비올라세인 유도체 계열 색소인 ▲프로비올라세인(초록), ▲프로디옥시비올라세인(파랑), ▲비올라세인(남색), ▲디옥시비올라세인(보라)을 생산하는 대장균들을 개발하였다. 이로써 연구팀은 포도당이나 글리세롤을 먹이로 개발한 대장균을 배양함으로서 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 모두 생산할 수 있게 됐다.
미생물에서 소수성 색소가 생산되면 이는 세포 밖으로 배출되지 않고 세포 내부에 축적된다. 색소가 축적될 수 있는 세포의 수용력에는 한계가 있으므로, 그동안 소수성 색소를 특정량 이상으로 생산할 수 없었다. 이에 연구팀은 세포의 모양을 변화시키거나 세포 내 소낭을 형성해 미생물 내부의 소수성 천연색소 축적량을 증가시키고자 했다. 또한, 색소 생산량을 더욱 증가시키기 위해 연구팀은 세포 외 소낭을 형성해 미생물 밖으로 소수성 천연색소를 분비해 무지개 색소를 고효율로 생산하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당 또는 산업공정의 부산물로 생산되는 값싼 바이오매스인 글리세롤을 단일 탄소원으로 사용해 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 생산하는 대장균 균주를 최초로 개발했다고 연구팀 관계자는 설명했다.
연구에 참여한 양동수 박사는 “석유 화합물 기반의 합성 색소를 대체할 수 있는 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 세계 최초로 생산했으며, 이번 연구는 특히 색소를 비롯한 천연물을 고효율로 생산할 수 있는 범용 대사공학적 전략을 개발했다는 점에 의의가 있다”며 “이번 기술을 활용해 색소뿐만 아니라 의약품, 영양보조제 등의 다양한 친환경 물질을 고효율로 생산할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
2021.06.08 조회수 70115 -
최성민교수, 세포막의 탄성특성 변화현상 규명
- 피지컬 리뷰 레터스 7월16일자 게제 -- 새로운 의약품 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대-
우리학교 원자력 및 양자공학과 최성민 교수 연구팀은 세포막을 형성하는 인지질 이중막과 향균 펩타이드의 상호작용에 따른 세포막의 탄성특성 변화 현상을 첨단 중성자 산란 측정을 이용하여 세계 최초로 규명했다.
이번 연구결과는 지난 16일 물리학 분야의 세계적 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표됐다.
최성민 교수와 박사과정 이지환 씨가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 원자력연구기반확충사업(원자력기초공동연구소)의 지원을 받아 수행됐다.
세포막은 인지질 분자의 이중막으로 구성되어 있으며, 세포 내부의 물질을 유지하는 방어막 역할과 다양한 기능의 단백질을 함유하고 있는 등 매우 중요한 역할을 담당한다.
세포막을 통한 물질전달, 세포 분열 등 세포에서 일어나는 여러 가지 현상은 세포막과 단백질의 상호작용에 의해 지배되며 세포막은 이러한 과정에서 다양한 형태의 구조적 변화를 겪게 된다.
세포막의 탄성특성, 즉 탄성계수는 세포막이 얼마나 부드럽거나 단단한가를 나타내는 것으로 세포막과 단백질의 상호작용에 따른 탄성특성 변화에 대한 이해는 세포에서 일어나는 여러 가지 과정과 이에 따른 구조적 변화를 이해하는데 매우 중요한 사안이다.
최 교수팀은 펩타이드라는 작은 단백질들이 세포막을 구성하는 인지질 이중막에 흡착되어 인지질 이중막의 구조적 변화를 일으키는 과정에서 인지질 이중막의 탄성특성이 어떻게 변하는가를 중성자 스핀에코 분광법이라는 최첨단 비탄성 중성자 산란 기법을 이용하여 규명했다.
이번 연구결과에 의하면 멜리틴이라는 펩타이드는 그 양이 적을 때는 인지질 이중막 표면에 흡착되어 이중막을 형성하고 있는 인지질 분자들의 정렬도를 저해함으로써 인지질 이중막을 부드럽게 만드는 효과를 보인다.
반대로, 멜리틴의 양이 일정량보다 많아지게 되면 인지질 이중막을 통과하는 구멍을 형성하고 동시에 이중막을 단단하게 만들기 시작하며, 멜리틴에 의해 형성된 인지질 이중막의 구멍이 더욱 많아지게 되면 구멍들이 서로 상호작용을 일으켜 인지질 이중막이 급격하게 단단해짐을 밝혔다.
현재 여타 단백질과 인지질 이중막의 상호작용에 대한 추가적인 연구가 진행되고 있으며, 이러한 현상에 대한 이해는 세포에서의 생명현상에 대한 근본적인 이해와 향후 새로운 의약품 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
최 교수팀은 최근 중성자 및 X-선 산란을 이용하여 탄소나노튜브 및 나노입자의 자기조립 초구조체 개발 연구를 수행하여 신소재 및 화학분야의 세계적 권위지인 어드밴스드 메터리얼즈(Advanced Materials), 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 등에 연속적으로 논문을 게재하는 등 연성나노물질 연구에서도 우수한 연구성과를 거두고 있다.
최 교수는 중성자를 이용한 연성나노물질 연구분야에서 국제적 전문성을 인정받고 있으며 대표적인 국제 중성자 협회인 아시아-오세아니아 중성자 산란협회(AONSA)의 총무이사를 담당하고 있다. 또한 최성민 교수와 한국원자력연구원이 공동으로 개발한 하나로 냉중성자 연구시설의 40m 소각중성자산란 장치는 세계 최고수준의 나노구조 측정능력을 갖추고 있어 우리나라 나노소재 연구분야의 발전에 새로운 기회를 제공할 것으로 기대되고 있다.
<용어설명>
❶ 세포막(cell membrane)
세포와 세포 외부의 경계를 짓는 막으로 세포 내의 물질들을 보호하고 세포간 물질 이동을 조절한다. 세포막은 인지질 및 단백질 분자로 구성된 얇고 구조적인 인지질 이중층으로 되어 있으며, 선택적인 투과성을 지닌다.
❷ 펩타이드(Peptide)
아미노산의 중합체이다. 보통 소수의 아미노산이 연결된 형태를 펩타이드라 부르고 많은 아미노산이 연결되면 단백질로 부른다.
❸ 멜리틴(melittin)벌 독에서 분리한 26개의 아미노산으로 구성된 단백질로 10∼20년 전에 그 성분과 역할이 알려져 항균물질로 사용된다.
[그림]세포막을 구성하는 인지질 이중막에 멜리틴 펩타이드가 흡착되어 형성하는 구조의 각 단계별 모식도 (왼쪽). 멜리틴 펩타이드 양의 증가에 따른 인지질 이중막의 각 단계별 탄성특성 변화 (오른쪽).
2010.07.19 조회수 19091