IBS, 변화무쌍 스위치 단백질 관찰 '바이오센서' 개발

새 바이오센서로 쥐에서 활성화된 신경세포 관찰 성공

국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재

【대전=뉴시스】김양수 기자 = IBS 연구진이 개발한 small GTPase 단백질의 활성화를 보여주는 바이오센서(그림 a)는 기존의 청색광 유전학과 파장이 겹치지 않아 세포 또는 생체 내에서 시공간적으로 목표하는 단백질의 활성을 조절하고 관찰할 수 있다. 그림(b)의 가운데처럼 바이오센서를 세포에서 발현시키고 세포의 활성을 유도하자 small GTPase가 활성화되는 것을 실시간으로 관찰할 수 있다.2019.01.14(사진=IBS 제공)  [email protected]

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 암세포의 이동과 신경세포 활성화 등 다양한 세포 기능에 관여하는 신호전달 스위치 단백질의 변화무쌍한 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 길이 열렸다.
 
기초과학연구원(IBS)은 인지 및 사회성 연구단 허원도 교수 연구팀이 신호전달 스위치단백질의 활성을 모니터링할 수 있는 '바이오센서'를 개발하고 살아있는 생쥐의 신경세포 활성화를 관찰하는데 성공했다고 14일 밝혔다.

대표적인 신호전달 스위치단백질인 'small GTPase'은 세포의 이동, 분열, 사멸과 유전자 발현 등 다양한 세포의 기능에 관여하기 때문에 small GTPase를 제어할 수 있다면 세포의 기능도 조절이 가능하다.

이번에 허 교수팀이 개발한 새로운 바이오센서는 small GTPase 활성의 모든 변화 과정을 실시간으로 볼 수 있는 도구로 광유전학과 결합해 다양한 방식으로 관찰이 가능하고 민감도가 커 생체 내 두꺼운 조직 안에서 벌어지는 수 나노미터(㎚) 크기의 변화까지도 정밀하게 볼 수 있다.

고감도 성능을 이용하면 살아있는 동물의 암세포 전이 및 뇌 속 신경세포의 구조변화를 관찰할 수 있어 향후 강력한 이미징 기술이 될 것으로 기대된다.

연구팀에 따르면 일반적으로 small GTPase의 활성을 관찰할때 두가지 형광단백질간의 형광 세기변화 비율을 측정하는 형광 공명 에너지전달(FRET) 방식을 이용하지만 FRET 방식은 광유전학과 광 파장이 겹쳐 정작 관찰해야 할 세포신호의 변화는 보기가 어렵고 민감도가 낮아 동물 모델 적용에 한계가 있다.

연구팀은 단백질 공학기술로 5가지 종류의 small GTPase 단백질의 바이오센서를 개발하고 두가지 파장(488㎚, 561㎚)에서 관찰이 가능한 새로운 바이오센서를 개발, 단백질을 분석하는데 성공했다.

 이 바이오센서는 기존 센서가 갖고 있던 파장과 겹치던 문제를 효과적으로 극복해 세포의 이동방향을 살피면서 동시에 공간적 기능도 분석할 수 있다는 장점이 있다.
 
이를 통해 연구팀은 유방암 전이 암세포에 바이오센서를 발현시키고 광유전학 기술로 암세포 이동 방향을 조절하자 small GTPase 단백질이 활성화되는 것을 확인했다. 이 과정에서 암세포의 이동 방향이 변할 때 세포 내 small GTPase가 이리저리 움직이며 활성화하는 모습도 실시간 이미징하는데 성공했다.

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 신경세포와 쥐의 뇌 조직 내 마이크로 단위 단백질 관찰 모식도. IBS 연구진은 세포 내 수용체(TrkB)와 small GTPase 바이오센서(그림 a)의 활성화 관찰을 통해 바이오센서는 신경세포 내 다양한 수상돌기에서 수 마이크로 공간에서만 선택적으로 수용체와 Ras small GTPase 활성이 유도되는 것을 확인했다(그림b). 또 신경세포의 미세한 수상돌기 가시(dendritic spine)내에서 Cdc42와 Ras small GTPase 단백질의 활성을 빛으로 유도하고 시각화하는데도 성공했다(그림 c).2019.01.14(사진=IBS 제공) [email protected]

연구진은 small GTPase의 활성을 실시간으로 탐지해 추후 암치료물질을 탐색하는 등 다방면에서 기술 접목이 가능할 것으로 기대하고 있다.

이어 연구팀은 미국 막스 플랑크 플로리다 연구소(Max Plank Florida Institute)의 권형배 박사 연구팀과 공동연구를 진행, 깨어있는 생쥐인 실험군과 마취된 대조군 쥐의 뇌 영역 운동 피질 신경세포에서 small GTPase 단백질의 활성을 비교했다.
 
살아있는 쥐를 통해 수 나노미터 단위의 신경세포 수상돌기 가시에서 실시간으로 변화하는 small GTPase 단백질의 활성을 관찰한 것은 이번이 처음이라고 연구팀을 설명했다.
 
이번에 개발된 바이오센서는 미세한 구조에서도 목표한 단백질을 관찰할 수 있을 만큼 민감도가 높아 생리학적 현상에 지장을 주지 않는 자연스러운 상태에서 뇌 영역을 실시간으로 관찰할 수 있어 뇌 관련 연구에 다양하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
 
 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 14일 오후 7시(한국시간) 온라인판에 게재됐다. 논문명은 Intensiometric biosensors visualize the activity of multiple small GTPases in vivo다.

허원도 교수는 "이번 연구로 small GTPase 단백질을 생체 내에서 관찰하기 위한 기존 바이오센서들의 기술적 한계를 극복하는데 성공했다"며 "특히 청색 빛을 활용한 광유전학 기술과 병행해 적용할 수 있어 광범위한 세포신호전달연구와 뇌인지과학연구에 접목이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

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