세포 안에서는 매 순간 수많은 소기관이 생성되고 이동하며 생명 활동을 이어간다. 이들의 이동은 세포 내부 구조를 따라 정교하게 이루어진다. 그러나 소기관이 인접한 이동 통로로 옮겨 타는 이른바 ‘환승’의 순간은 지금까지 가설로만 존재했을 뿐, 실제로 관찰된 적은 없었다.

기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수)과 홍석철 교수(고려대 물리학과) 연구팀은 이 환승의 순간을 세계 최초로 실시간 영상으로 포착하는 데 성공했다.

연구팀은 자체 개발한 간섭산란 영상 기법 기반의 DySLIM (Dynamic Scattering-particle Localization Interference Microscopy)¹⁾ 장치를 이용해 소포체 소포체²⁾에서 생성된 ‘자가포식체³⁾’가 인접한 미세소관⁴⁾으로 이전되는 순간을 실시간으로 관측했다. 또한 자가포식체ㆍ소포체ㆍ미세소관을 동시에 관찰할 수 있도록 다중 모드 영상 시스템을 함께 구축했다.

자가포식은 세포 내 불필요하거나 손상된 단백질과 오래된 소기관을 분해·재활용해 항상성을 유지하는 생명 현상이다. 이 과정에서 자가포식체는 인접한 소포체와 접촉하며 막을 형성하는 성분인 지질(lipid)을 공급받아 성장한 뒤, 분해 효소를 가진 라이소좀⁵⁾과 융합하기 위해 미세소관을 따라 이동한다. 이때 소포체와 미세소관이 맞닿는 접합점에서 일어나는 ‘이전 현상’은 오랫동안 가설로만 제시돼 왔으며, 실제로 관찰된 사례는 없었다.

이 미지의 과정을 규명하기 위해 연구팀은, 자가포식체의 형성과 성숙 과정에서 핵심적인 역할을 하는 LC3 단백질 ⁶⁾에 형광 표지를 붙여, 자가포식체의 위치와 움직임을 빛으로 확인할 수 있도록 했다. 특히 이 단백질이 미세소관에도 함께 존재한다는 점에 착안해, 하나의 형광 신호만으로 자가포식체와 미세소관을 동시에 구분해 관찰할 수 있는 방법을 구현했다.

하지만 형광 신호만으로는 자가포식체가 생성되는 소포체의 구조 변화까지 확인하는 데 한계가 있었다. 이에 연구팀은 형광 표지 없이도 세포 구조의 미세한 변화를 감지할 수 있는 간섭산란 기반 DySLIM 장치를 병행 사용함으로써, 형광으로 식별된 자가포식체의 이동은 물론 소포체의 그물망 구조와 동적 변화까지 고속으로 영상화하는 데 성공했다.

그 결과, 연구팀은 소포체와 미세소관이 만나는 아주 좁은 접합 부위에서 일어나는 자가포식체의 순간적 이전 현상을 밀리초(1000분의 1초) 단위로 시간 변화를 구분해 관찰하고, 나노미터(10억분의 1미터) 수준의 공간 정밀도로 실시간 포착하는 데 성공했다. 이는 세계 최초로 살아 있는 세포에서 소기관 간 이동 과정을 시간의 흐름에 따라 직접 분석해 규명한 첫 실험 사례다.

교신저자 홍석철 교수는 “이번 연구는 고감도·고속 영상 기술을 통해 세포 소기관 간 상호 작용을 직접 관찰하는데 성공함으로써, 미시 세계에서의 대사 과정을 시간과 공간의 축에서 동시에 해석하는 동력학적 분해생물학이라는 새로운 연구 패러다임을 여는 중요한 이정표가 될 것”이라고 말했다.

공동 교신저자 조민행 연구단장은 “이번 연구는 연구단에서 개발한 비표지 고속 나노영상 기술의 탁월한 가능성을 입증한 성과”라며 “현재 운영 중인 다양한 비표지 분자 선택적 첨단 영상 기법들과의 융합을 통해, 향후 형광 표지에 의존하지 않는 차세대 비표지ㆍ분자 선택적 영상 플랫폼으로 발전시켜 나갈 것”이라고 전망했다.

이번 연구 결과는 1월 21일(한국시간) 국제학술지 ‘ACS Nano (IF 16.1)’온라인 판에 게재됐다.

그림 설명

[그림 1] 형광 현미경과 결합된 간섭산란 영상 장비를 이용해 관찰한 살아 있는 세포 속 자가포식체, 미세소관, 소포체 구조.
(A) LC3 단백질 형광 표지를 통해 형광 현미경으로 관찰한 자가포식체와 미세소관 네트워크.
(B) 간섭산란 영상에서 확인된 세포 전체 형태.
(C) 시간 미분 간섭산란 영상 분석을 통해 시각화된 동적 소포들과 소포체 구조.
(D) 간섭산란 분산(variance) 영상 기법을 적용하여 향상시킨 소포체 구조 및 인접한 소포들의 분포.
(E) 형광 현미경을 통해 추적된 자가포식체들의 개별적 이동 궤적.
(F) 간섭산란 현미경을 이용해 200Hz의 고속으로 추적한 대표적 자가포식체의 상세 이동 궤적.

[그림 2] 간섭산란 현미경을 이용해 밀리초 시간분해능과 나노미터 공간 정밀도로 규명된 자가포식체의 소포체-미세소관 간 전이 과정.
(A) 그림 1F의 영역‘A’에서 관찰된 자가포식체 이동 궤적을 확대한 상세 궤적.
(B) 간섭산란 영상과 상호보완적인 형광 영상을 통해 확인된 자가포식체, 소포체, 미세소관의 공간적 위치.
(C) 소포체 및 소포체 상에서 이동 중인 자가포식체의 위치를 나타내는 간섭산란 분산 영상 위에 중첩한 미세소관 구조 (녹색).

1) DySLIM (Dynamic scattering-particle localization interference microscopy): 연구단에서 개발한 세포 속 소포(vesicle) 및 소기관들의 운동성을 나노미터 수준 정밀도로 고속 추적할 수 있는 비표지 간섭산란 현미경 (Park et al., Acc. Chem. Res. 57(11), 1565 (2024)).

2) 소포체 : 세포 안에 그물처럼 퍼져 있는 막 구조로, 단백질과 지질을 만들고 다른 소기관으로 전달하는 통로 역할을 하는 세포 소기관

3) 자가포식체(autophagosome) : 세포 내에서 불필요하거나 손상된 단백질, 오래된 세포 소기관 등을 이중막으로 둘러싸서 분해하고 재활용하는 세포 소기관

4) 미세소관(microtubule) : 세포 안에 존재하는 가느다란 단백질 골격 구조로 세포 내 물질 이동의 경로

5) 라이소좀 : 가수분해 효소를 갖고 효소작용을 하는 세포 소기관으로 단백질, 지방, 핵산 등 다양한 세포 속 불필요한 물질을 제거하는 필수적인 세포 소화기관

6) LC3 단백질 : 초기 자가포식체의 형성 과정에 중요한 역할을 하는 자가표식 활동과 관련된 핵심 지표 단백질