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조연에서 주연으로, ‘혈관’의 화려한 등장
조연에서 주연으로, ‘혈관’의 화려한 등장
- IBS 연구팀, 혈관내피세포 연구 총망라해 셀(Cell)誌 종설논문 게재 -
- 시스템적 장기 혈관의 역할 재조명...장기의 기능과 건강한 노화에 핵심 -
우리 몸 구석구석에 촘촘하게 뻗어있는 혈관은 생명을 유지하는 도로망으로 일컬어지지만, 심장이나 뇌 같은 주요 장기에 비해 중요성이 과소평가되곤 했다. 하지만 최근 혈관을 주요 장기에 딸린 수동적
기관이 아닌 우리 몸 전신의 건강과 기능을 조절하는 핵심 장기로 인식해야 한다는 연구 결과가 나왔다. 이제 혈관이 조연에서 주연으로 당당히 무대에 등장할 전망이다.
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 혈관 연구단 고규영 단장 (KAIST 의과학대학원 특훈교수)은 독일 하이델베르크 대학의 헬무트 아우구스틴 (Hellmut G.
Augustin) 교수 와 함께 혈관의 신생과 유지, 노화를 아우르는 혈관 생애에 대한 최신 연구 결과들을 체계적으로 정리 했다. 그리고 혈관 가장 안쪽의 내막을 구성하는
혈관내피세포의 역할과 기능을 분석해, 혈관이 역동적으로 전신에 상호작용하는 시스템적 장기임을 밝히는 종설(Review) 논문 1) 을
발표 했다.
전통적으로 혈관내피세포는 주변의 자극에 따라 혈관 긴장성 및 혈액 응고 조절, 물질교환 등의 기능을 발휘하는 반응적 세포집단으로 여겨졌다. 하지만 고 단장은 혈관내피세포를 시스템적으로 전신에 퍼져 있는
기관으로 보고, 내피세포가 단순한 반응적 세포가 아니라 ‘지시적 신호 전달(Angiocrine signaling)’을 통해 장기의 발달, 재생, 성숙을 조절하는 능동적 조절자 역할 을 한다는
것을 제시했다.
또한, 단일세포 수준에서 혈관내피세포의 분자적 이질성을 규명하였는데, 내피세포가 각 장기 및 혈관 종류에 따라 특화된 기능을 수행 한다는 것을 상세히 보여줬다. 예를 들어, 뇌나 근육의
혈관내피세포는 혈관의 장벽을 형성하지만 신장에서는 필터 역할을 하는 혈관이 발달해 있다. 간의 경우에는 혈관이 간세포의 대사적 분화와 재생을 조절한다.
혈관 노화와 관련해서는 미세혈관에서 발생하는 혈관 퇴화 2) (Vascular rarefaction)가 노화의 주요한 특징 중
하나라고 말했다. 특히, 노화가 진행되면서 혈관내피성장인자 3) (Vascular endothelial growth factor,
VEGF) 신호 전달이 불충분해져 혈관 퇴화를 유발 할 수 있으며, 이는 조직 기능 저하와 관련된 다양한 노화 질환의 원인으로 작용 할 수 있다는 점을 강조했다.
나아가 고 단장은 혈관내피세포가 암, 당뇨, 비만, 치매 등 다양한 만성질환과 직접적인 관련이 있으며, 혈관내피세포의 기능 장애가 이러한 질환들의 진행을 가속할 수 있음을 밝혔다. 또한,
혈관내피세포 연구를 통한 새로운 치료 접근법이 필요함을 역설 하며, 임상에 응용 가능한 분야로 재생 의학, 재활 의학, 혈관 노화 예방 및 회복 분야를 제시 했다.
고규영 단장은 “과거 혈관 연구는 심혈관 생물학, 종양학, 노화 연구 등의 개별적인 분야로 분절돼 다뤄지며, 통합된 접근이 상대적으로 부족했다”라며, “이번 논문은 혈관을 하나의 통합된 시스템으로
인식하는 ‘혈관과학(Angioscience)’ 개념을 강화 하고, 이를 통해 전신 건강과 질병, 노화의 핵심적인 메커니즘으로서 혈관의 역할을 재조명 했다는 데 의의가 있다”라고 밝혔다.
또한, “현대의 발전된 기법들을 이용한 최신 연구들에서 혈관내피세포의 역할이 다시 한번 강조되고 있다”라며, “최신 연구 결과들을 총망라해 재정립함으로써 혈관과 관련된 다양한 질병에 대한 이해를 넓힐 수
있다”라고 전했다.
혈관 연구의 새로운 이정표를 제시한 이번 종설 논문은 생물학 분야 세계 최고 권위지 셀 (Cell, IF 45.5)에 9월 6일 온라인 게재 됐다.
그림 설명
[그림 1] 혈관내피세포의 특성
혈관내피세포는 혈관의 형성과 유지, 혈압 조절, 응고 조절 등의 기본적인 역할뿐만 아니라, 장기와 대사 기능을 지시하고 조절하는 중요한 역할을 수행한다.
[그림 2] 혈관 연구의 응용 분야
혈관 연구는 A) 재생 의학, B) 예방 의학, C) 노화 연구에서의 중요한 역할을 한다.
A) 재생 의학은 인간의 세포와 조직, 장기를 대체하거나 재생시켜 원래의 기능을 할 수 있도록 복원시키는 의학분야로 조직이 일정 크기를 넘어 제 기능을 하기 위해 혈관 공급이 필수적이다. 이를 위해 미세혈관 조직 공학의 발전이 필수이며, 특히 재프로그래밍된 혈관내피세포를 활용하는 연구가 중요하다.
B) 넓은 표면적을 갖는 혈관의 특성상 혈관내피세포의 전사체 변화를 잘 감지할 수 있어 혈관내피는 전신 건강의 지표로 활용될 수 있으며, 특정 질병을 조기에 발견할 수 있는 바이오마커의 개발도 가능하다.
C) 미세혈관에서 발생하는 혈관 퇴화는 노화의 주요한 특징 중 하나이며, 노화된 혈관내피세포는 인체의 여러 기관이 제 기능을 하지 못하게 하므로 노화의 예방과 회복을 위해 혈관내피세포에 대한 집중적인 연구가 필요하다.
1) 종설(Review) 논문: 주로 학술지에서 해당 분야 최고 전문가를 초청해 최신 연구성과 및 결과물을 종합해 최신 동향을
정리하고, 연구방향을 제시하거나 해결해야할 과제 등을 제시하는 형태의 논문
2) 혈관 퇴화 (Vascular rarefaction): 조직 내의 모세혈관 분포가 적어지는 현상
3) 혈관내피성장인자(Vascular endothelial growth factor): 혈관의 형성과 신생을 자극하는 단백질
2024.09.12
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시냅스 관찰·조절 기술 총망라한 연구 지침서 제작
시냅스 관찰·조절 기술 총망라한 연구 지침서 제작
-뇌의 비밀을 밝히는‘시냅스 관찰·조절 기술’의 표준과 연구 가이드라인 제시-
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 강봉균 단장, 이상규 연구위원, 비노드 티말시나 (Binod Timalsina) 박사후연구원은 뇌 시냅스(Synapse) 관찰 및 조절 기술들을 집대성한 ‘시냅스 연구 종합지침서’를 발표 했다. 시냅스는 뇌 기능 및 질환의 핵심 요소로 꼽히는 만큼, 시냅스 분야를 비롯한 뇌 연구 전반에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다.
사고, 감정, 기억을 관장하는 뇌의 놀라운 능력은 약 860억 개의 신경세포들이 정교하게 연결되어 정보를 주고받는 복잡한 네트워크에서 비롯된다. 이 소통의 핵심인 시냅스는 600조 개나 존재하지만 정확한 역할 및 구조는 미지의 영역으로 남아있다. 이를 규명하기 위해서는 뇌 속 시냅스의 위치와 특성을 분석하고 각 시냅스의 기능을 조절하는 기술이 필요하다. 최근 형광단백질 기술의 발전으로 시냅스의 미세 구조를 탐구할 수 있는 첨단 기술들이 개발됐다. 그러나 이 기술들은 작동 원리가 제각기 달라 각 연구 목적에 맞는 정보를 얻기 위한 최적의 기술 선택에 어려움이 있었다. 시냅스 관찰과 조절을 동시에 할 수 없다는 한계도 있었다.
연구팀은 현존하는 주요 시냅스 관찰 기법을 원리와 특징에 따라 3가지로 분류 (△시냅스 연결 기반 신경세포 표지 기술, △시냅스 내 분자 선택적 표지 기술, △전시냅스와 후시냅스 접촉면 표지 기술)하여, 각 기술의 장점과 한계를 체계적으로 분석하고 발전 가능성을 진단 하였다. 나아가 시냅스의 기능을 빛으로 조절할 수 있는 최신 광유전학 기술들을 소개하며 시냅스 관찰과 조절 연구 분야 간 시너지 가능성을 제시하였다. 요컨대 시냅스 관찰·조절 기술의 표준을 마련하고 발전 방향을 제시 한 것이다.
연구팀은 시냅스 연구의 선두주자로서, 혁신적 기술들을 개발하여 학계의 주목을 받고 있다. 학습-기억 연구 분야 세계적 석학인 강봉균 단장은 특정 기억과 연관된 시냅스(Engram synapse)를 분석할 수 있는 ‘듀얼-이그라스프(dual-eGRASP)’기술을 개발(Science, 2018)함에 이어, 기억 형성-유지-소멸 과정에서 시냅스의 역할 연구를 활발히 진행하고 있다. 이상규 연구위원은 시냅스의 역동적 변화를 살아있는 동물의 뇌에서 실시간 관찰할 수 있는 ‘시냅샷(SynapShot)’기술을 개발했다(Nature Methods, 2024). 연구진은 이러한 성과를 기반으로 기존 기술들의 장점을 융합하고 단점은 보완한 차세대 시냅스 분자기술 연구를 수행할 계획이다.
교신저자인 강봉균 단장은 “시냅스 기능과 관련 질환의 미스터리를 풀어내는 연구 발전에 기여하길 바란다”며 “시냅스의 구조와 기능을 관찰하는 동시에 기능을 제어할 수 있는 올인원(all-in-one) 시스템 개발에 박차를 가할 것”이라 전했다.
이상규 연구위원은 “앞으로 우리나라가 시냅스 관찰 및 조절 연구 분야에서 세계를 선도할 수 있도록 노력해 나갈 것”이라 전했다.
이번 연구 결과는 뇌과학 총설 분야 최고 권위지인 ‘네이처 리뷰 뉴로사이언스 (Nature Reviews Neuroscience, IF 37.4)’ 8월호에 게재 됐다.
그림 설명
[그림] 빛을 이용한 시냅스 관찰 및 조절 기법
현재까지 개발된 시냅스 관찰 기술은 세 가지(a-c) 주요 카테고리로 나눌 수 있다.
a) 시냅스 연결 기반 신경세포 표지 기술
: 이 방법은 서로 연결된 신경세포들을 형광단백질로 표지한다. 시냅스를 형성하는 두 신경세포가 각각 다른 색으로 표지되어, 어떤 세포들이 서로 연결되어 있는지 한눈에 파악할 수 있다.
b) 시냅스 내 분자 선택적 표지 기술
: 시냅스 내부의 특정 단백질이나 구조물만을 선택적으로 형광 표지한다. 이를 통해 시냅스의 미세 구조와 구성 요소, 활성도 등을 자세히 관찰할 수 있다.
c) 전시냅스(pre-synapse)와 후시냅스(post-synapse) 접촉면 표지 기술
: 신경세포 간 정보 전달이 일어나는 시냅스의 정확한 위치를 표지한다. 전달하는 쪽(전시냅스)과 받는 쪽(후시냅스)의 접촉 지점이 밝게 빛나는 것을 볼 수 있다. 그리고 시냅스 표지 기술과 광유전학 기술을 적절히 융합하게 되면 특정 시냅스의 기능을 조절할 수도 있다.
d) 선택적 시냅스 기능 조절 기술
: 광유전학 기술을 활용하여 특정 시냅스의 활성을 조절한다. 빛을 이용해 시냅스 기능을 조절하여, 특정 시냅스의 기능을 실시간으로 제어하고 그 영향을 관찰할 수 있다.
2024.09.11
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투명 햅틱 디스플레이로 가상현실에 촉감을 입히다
투명 햅틱 디스플레이로 가상현실에 촉감을 입히다
- 압력 센서와 결합해 사용자별 일관된 가상 촉각을 구현하는 기술 개발 -
- 촉각 구현 기술로 털부터 유리까지 다양한 실제 질감 완벽 구현 -
모든 사용자가 동일한 촉감을 경험할 수 있는 디스플레이용 가상 촉각 구현 기술이 나왔다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 박장웅 연구위원 (연세대 신소재공학과 교수) 연구팀은 세브란스병원 신경외과 정현호 교수 연구팀과 공동으로 압력 센서를 전기 촉각 디바이스에 결합해 디스플레이에서 일관된 촉각을 구현 하고, 뇌파를 기반으로 촉각 정보를 분류해 9가지 이상의 다양한 촉감을 구현하는 기술을 개발 했다.
가상현실(VR), 증강현실(AR) 등의 기술에서 사용자와 기술 간 밀접한 상호작용이 중요해지면서, 가상 세계와 현실을 연결해 몰입감 있는 사용자 경험을 제공하는 가상 촉각 구현 기술이 등장했다. 그중 물리적 자극을 사용하는 진동 촉각 기술은 진동 액추에이터가 불투명해 디스플레이 위로 배열되다 보니 촉각을 직접 전달할 수 없었다. 이에 전기 자극을 이용해 인공적으로 촉각을 만드는 전기 촉각 기술이 차세대 기술로 주목 받고 있다.
우리가 촉각을 느낄 때 피부에 분포된 촉각 감각 세포는 촉각 정보를 전기 신호로 변환해 뇌에 전달한다. 이 촉각 정보를 담은 전기 신호를 인위적으로 발생시키는 것이 전기 촉각 기술의 원리이다. 하지만 기존 전기 촉각 디바이스는 저항이 높아 많은 전류가 필요하다 보니 안전성에 문제 가 있었다. 게다가 사용자마다 디바이스를 누르는 힘이 달라 접촉 상태가 불안정해지면, 같은 전기 자극에도 느껴지는 촉감이 달라질 수 있어 일정한 촉감을 구현하기 어려웠다. 또한, 촉각이라는 주관적인 정보를 표준화할 수 없어 상용화에 한계 가 있었다.
이를 해결하고자 연구진은 압력 보정이 가능한 ‘투명 간섭 전기 촉각 디바이스’를 제작 했다. 디바이스는 전기 촉각을 구현하는 전극 부분과 손가락의 압력을 보정하는 압력 센서로 이뤄졌다. 우선, 투명도를 유지하고 전극의 저항을 낮추기 위해 인듐-주석 산화물 1) 기반의 전극 위에 백금 나노입자를 도금했다. 그 결과, 전극의 저항을 5배 이상 낮춰 안전성을 확보했고, 약 90%의 높은 투과율 을 보였다. 또한, 압력 센서를 통합시켜 손가락의 압력을 측정 및 보정해 일관된 전기 촉각을 구현 해 냈다.
더 나아가 특정 촉감을 실제로 구현하고자 촉각을 표준화할 수 있는 체성감각 유발전위 2) (Somatosensory Evoked Potential) 검사를 진행 했다. 전기 촉각의 전류 밀도와 진동수가 변화할 때 사용자의 뇌 신호가 어떻게 반응하는지를 분석해 촉각을 분류할 수 있었다. 결과적으로 연구진은 털부터 유리까지 총 9가지 이상의 다양한 전기 촉각을 구현 해 냈다.
이번 연구의 핵심은 전기 촉각 기술에 간섭 현상을 도입했다는 점 이다. 간섭 현상은 두 개의 전자기장이 중첩됐을 때 진동수와 진폭이 변화하는 현상인데, 기존보다 30% 낮은 전류만으로도 동일한 촉감 강도를 구현 했고 자극 위치를 더 세밀하게 제어해 촉각 해상도를 32% 향상 했다. 이는 테슬라 슈트(Teslasuit)를 포함한 기존 전기 촉각 기술 중 최고 수준의 촉각 해상도로, 디스플레이 분야뿐만 아니라 VR, AR 기술 혁신으로의 가능성을 열었다. 실제로, 개발된 기술은 스마트폰 디스플레이와 결합돼 동영상 속 물체에 대한 가상 촉각을 구현하는 데도 성공 했다.
연구를 이끈 박장웅 연구위원은 “전기 촉각 기술을 통해 디스플레이의 시각 정보와 일치하는 촉각 정보를 통합해 사용자에게 전달할 수 있다”며, “이번 연구는 간섭 자극을 기반으로 한 전기 촉각 기술이 다양한 AR, VR, 스마트 기기 등에서 사용자와 기기 간 상호작용을 더욱 활성화하는 데 기여할 것으로 기대 된다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 9월 3일(한국시간) 게재됐다.
그림 설명
[그림 1] 차세대 전기 촉각 구현 기술 디지털 미디어에서 시청각을 넘어 다양한 감각을 재현하기 위해 사용되는 가상 촉각 구현 기술. VR, AR, 여러 스마트 기기와 차량용 인터페이스까지 다양한 디스플레이와 대응돼 현실감을 상승시키는 것을 목적으로 한다. (Image from: CIRRUS LOGIC)
[그림 2] 압력에 따른 촉각 변화
압력에 따라 다르게 느껴지는 전기 촉각 기술. 손가락 압력이 강해질수록 접촉면이 넓어지고 수용체와의 거리(d1→d2)가 좁아져, 같은 자극에도 느끼는 강도가 다를 수 있어 기존 전기 촉각 기술은 일관된 촉각 정보를 전달하기 어려웠다.
[그림 3] 압력 보정이 가능한 투명 간섭 전기 촉각 디바이스
압력 보정이 가능한 투명 간섭 전기 촉각 디바이스의 실제 사진. 모두 투명한 재료로 구성돼 약 90%의 투과율을 가져 디스플레이에 적용이 가능하다.
[그림 4] 압력 보정을 통한 일관된 전기 촉각 구현 압력 보정이 됐을 때와 되지 않았을 때 전류 밀도에 따른 전기 촉각 강도의 변화. 압력 보정이 되지 않았을 때는 사용자마다 느껴지는 촉각의 경향성이 없으나, 압력이 같게 보정될 때는 촉각의 변화가 일관성 있게 나타났다. 손가락 압력이 강할 때는 낮은 전류에도 높은 강도의 촉각을 느낀다는 것을 확인할 수 있다.
[그림 5] 디스플레이와 통합된 디바이스 응용 방안 투명 디스플레이와 디바이스가 통합돼 동영상 속 물체에 대한 촉각 정보 전달. 디바이스가 작동하면 압력 센싱과 동시에 동영상에 맞는 촉각 정보가 전달되고, 사용자는 눈을 가린 상태로도 손끝에서 구현된 가상 전기 촉각을 통해 공이 굴러가는 것을 인지할 수 있다.
[그림 6] 간섭 촉각 전기 자극으로 인한 고해상도 촉각 구현 (위) 전류와 전류를 간섭시켜 생성된 간섭파(Interference wave)를 통한 전기 촉각 기술 원리 및 자극 위치. 간섭 자극을 통해 진폭이 낮은 전류를 진폭이 높은 전기장으로 생성해 낼 수 있으며, 전극이 없는 위치에서도 자극할 수 있다.
(아래) 전기 촉각 디바이스 배열로 구현할 수 있는 고해상도의 불꽃 모양 구현 방식. 간섭 자극과 일반 자극을 선택적으로 배열해 불꽃과 같은 복잡한 모양도 손끝에서 구현할 수 있다.
1) 인듐-주석 산화물: 산화 인듐과 산화주석을 혼합해 만들어진 재료. 높은 전기전도와 광학적 투명성을 동시에 가져 디스플레이용 투명전극으로 활용된다.
2) 체성감각 유발전위: 손이나 발에 자극이 가해졌을 때 활성화된 체성감각에 의해 뇌의 감각피질에서 발생하는 전기적 신호
2024.09.09
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새로운 세포 청소부, 뇌 속 별세포가 알츠하이머 치매 치료 가능성 높인다
새로운 세포 청소부, 뇌 속 별세포가 알츠하이머 치매 치료 가능성 높인다
- 별세포의 자가포식 작용, 치매 원인 물질 제거 및 뇌 기능 회복 가능성 높여 -
- 비신경세포인 별세포를 새로운 알츠하이머 치매 치료제의 표적으로 제시 -
인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 뇌질환극복연구단 류훈 박사 연구팀, 보스톤 의대 이정희 교수 연구팀과 공동으로 별세포(Astrocyte)를 활용해 알츠하이머 치매 치료 메커니즘을 규명하고 새로운 치료 표적을 제시했다. 공동 연구진은 이번 연구를 통해 뇌 속 비신경세포인 별세포의 자가포식(Autophagy, 오토파지) 작용이 알츠하이머 치매 환자 뇌 속에서 아밀로이드 베타(Aβ) 올리고머 독성 단백질을 제거하고 기억력과 인지 능력을 회복하는 것을 밝혔다.
노인성 치매의 대표적인 사례로 알려진 알츠하이머 치매는 아밀로이드 베타(Aβ)와 같은 독성 단백질이 뇌 안에서 비정상적으로 응집 및 축적되면서 염증 반응과 신경세포의 손상을 유발해 나타나는 퇴행성 뇌 질환이다. 지금까지 학계에서는 별세포가 신경세포 주변의 독성 단백질을 제거하는 것에 주목했으나 그 과정은 명확히 규명되지 않았다.
오토파지란 세포 스스로(Auto)가 잡아먹는(Phagy) ‘자가포식’ 과정이다. 연구팀이 세포의 항상성을 유지하는 별세포의 자가포식 작용에 주목한 결과, 알츠하이머 환자의 뇌에서 독성 단백질 축적이나 뇌 염증 반응 발생 시 별세포가 자가포식 작용을 조절하는 유전자를 유도해 대응하고 있음을 관찰했다. 이를 바탕으로 별세포에만 선택적으로 발현하는 자가포식 유전자를 알츠하이머가 유도된 쥐의 뇌에 주입해 손상된 신경세포가 회복되는 과정을 확인했다.
연구팀은 별세포의 자가포식 작용이 아밀로이드 베타(Aβ) 단백질 덩어리를 줄이며 동시에 기억력과 인지 기능을 함께 개선할 수 있다는 사실을 입증했다. 특히, 뇌의 기억을 저장하는 해마 부위에서 자가포식 조절 유전자 발현이 증가할 경우, 뇌 조직 내 병리 현상이 줄어드는 사실도 확인했다. 무엇보다 알츠하이머 치매의 주원인으로 알려진 아밀로이드 베타(Aβ) 올리고머 독성 단백질 제거에 별세포의 자가포식 기능이 활용될 수 있음을 입증함으로써 알츠하이머 치매 치료의 가능성을 제시했다.
이번 연구는 알츠하이머 치료제 개발을 위해 진행된 신경세포 중심 접근법에서 벗어나 비신경세포인 별세포를 새로운 알츠하이머 치매 치료제의 표적으로 제시한 점에서 큰 의의를 지닌다. 연구진은 별세포의 자가포식 기능을 강화해 치매 증상을 예방하거나 완화할 수 있는 약물을 탐색하고 이에 대한 전임상 연구를 진행할 계획이라고 밝혔다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 「Molecular Neurodegeneration」 (IF 14.9, JCR 분야 2.1%)에 최신 호에 게재됐다.
그림 설명
[그림1] 별세포(성상 교세포)의 자가포식 관련 유전자의 조절은 알츠하이머 치매환자의 뇌안에서 아밀로이드 베타(Aβ)를 효과적으로 제거하는데 작용하는 중요한 기전임을 증명함.
[그림2] 치매 환자 뇌조직에서 별세포 특이적으로 자가포식 유전자의 발현의 증가 양상을 확인함.
2024.09.02
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액시온 암흑물질 사냥 범위 좁혔다
액시온 암흑물질 사냥 범위 좁혔다
- 가장 정밀한 실험 설비로 액시온 탐색 영역 확장 … PRX 誌 게재 -
- 질량이 22µeV인 액시온 존재 가능성 90% 신뢰도 수준으로 배제 … PRL 誌 게재 -
암흑물질은 우주 물질의 약 85%를 구성하지만, 본질은 아직 밝혀지지 않았다. 이론으로 예측된 존재 영역을 일부분씩 탐색해가며 존재하지 않는 영역을 배제하는 식으로 실험 이 이뤄진다.
국내 액시온 암흑물질 사냥꾼들이 액시온을 조금 더 궁지로 몰았다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 액시온 및 극한상호작용 연구단 연구진은 암흑물질 사냥 범위를 좁힌 논문 두 건을 국제학술지에 연달아 발표 했다.
암흑물질의 후보로 거론되는 액시온(Axion)은 아주 작은 질량을 가지며, 주변을 진동하며 떠돌고 있을 것으로 추정된다. 이 물질을 잡아내기 위해 과학자들은 강력한 자석을 쓴다. 액시온이 자기장과 만나면 질량에 상응하는 주파수를 갖는 광자(빛)로 변환된다. 미약한 세기의 주파수를 공진기를 이용해 증폭하고, 검출하면 해당 영역의 액시온 존재 여부를 파악할 수 있다.
문제는 액시온의 질량 즉, 변환된 주파수를 알 수 없다는 것이다. 이론적으로 예측된 방대한 주파수 영역을 라디오 주파수를 맞추듯 조금씩 바꿔가면서 탐색 해야 한다. 이론이 예측하는 액시온의 주파수 영역은 FM 라디오 주파수 영역보다 5,000만 배가량 넓다. 이에 액시온 연구자들은 목표로 하는 각 영역 맞춤형 장비를 개발해 일부분씩 액시온의 흔적을 샅샅이 찾는다.
IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단의 메인 실험(CAPP-MAX)은 액시온을 설명하는 이론 모델 1) 중 가장 높은 감도를 요구하는 ‘DFSZ 액시온’을 탐색을 목표 로 한다.
액시온 검출 확률이 자기장이 클수록 높아진다는 점에 착안, 연구진은 지구자기장의 24만 배에 이르는 12T(테슬라)의 자석을 구현했다. 신호 검출을 방해하는 배경 잡음을 최소화하기 위해 초저온 환경을 마련하고, 양자역학 원리에 기반한 첨단 판독 전자장치를 사용해 탐색 속도를 대폭 높였다.
이렇게 구축한 장비로 연구진은 액시온 질량이 4.24~4.91µeV (마이크로전자볼트, 주파수로 1.025~1.185GHz) 에 해당하는 주파수 범위를 세계 최고 감도로 탐색 했다. 지난 연구에서 질량 4.55µeV 영역의 좁은 범위를 빠른 시간에 고감도 탐색이 가능함을 입증하며 ‘화려한 데뷔’를 알린 데 이어(‘23, PRL), 이번 연구에서는 더 넓은 영역을 탐색하며, 독자 개발한 장비가 액시온이 존재할 것으로 추정되는 방대한 영역을 모두 탐구할 훌륭한 탐색 전략이 될 수 있음을 증명 한 셈이다. 연구 결과는 지난 8월 12일 국제학술지 ‘ 피지컬 리뷰 X (Physical Review X, PRX)’에 게재됐다.
PRX 연구의 공동교신저자인 정우현 연구위원은 “약 1GHz의 주파수 영역에서 초당 약 100건의 DFSZ 액시온-광자 변환이 발생하는데, 이때 발생하는 불필요한 배경 잡음은 초당 약 4,000개에 달한다”며 “실험의 난이도로 인해 DFSZ 액시온을 탐색할 수 있는 연구팀은 전 세계적으로 두 곳뿐이었고, 이 중 1GHz 이상의 주파수에서 고감도로 액시온 탐색에 성공한 건 현재까지 IBS 연구진이 유일 하다”고 설명했다.
한편, 액시온 및 극한상호작용 연구단의 고주파수 팀은 기존 액시온 실험이 저주파 신호 탐색에 주목하던 것과 달리 더 높은 주파수에 주목 한다. KSVZ 이론에 근거해 액시온의 질량을 예측한 최근 연구들이 20~30µeV (주파수로 4.8~7.25GHz) 의 고주파수 영역을 가리키기 때문 이다.
고주파 신호를 탐색하려면 주파수 신호를 증폭하는 공진기의 부피를 줄여야 한다. 하지만 부피가 줄면 액시온이 광자로 변하는 확률도 감소해 같은 양의 데이터를 얻는 데 시간이 오래 걸린다. 이에 연구진은 원통형 공진기를 피자 조각을 자르듯 여러 개의 방으로 나눈 ‘피자 공진기 (다중방 공진기) ’를 고안 했다. 주어진 부피를 최대한 이용하면서 목표로 하는 고주파수를 얻기 위한 전략이다.
이번 연구에서 연구진은 12T의 고자기장 환경에서 방이 3개인 삼중방 피자 공진기로 액시온 검출 실험을 진행 했다. 여기에 첨단 냉각기와 양자 증폭기를 도입해 실험 민감도를 높였다. 실험 결과, 액시온이 질량 22µeV 영역에서 존재할 가능성을 90% 신뢰 수준으로 배제 했다. 해당 질량 범위에서 최고 수준으로 민감한 결과 이다. 연구 결과는 7월 31일 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, PRL)’에 게재됐다.
PRL 연구의 교신저자인 윤성우 연구위원은 “액시온 암흑물질 탐색은 건초더미에서 바늘을 찾는 일과 비슷 하다”며 “위치를 대략 안다면 바늘을 더 빨리 찾을 수 있는 것처럼, 이번 연구는 이론적 예측을 기반으로 실험을 설계하는 것의 중요성을 보여주며, 차세대 액시온 탐색 실험의 방향성을 제시 한다”고 말했다.
그림 설명
[그림1] 액시온 암흑물질 사냥 범위 좁혔다
PRX 연구에서 설정한 액시온-광자 결합의 배제 한계는 액시온이 지역 암흑 물질 밀도의 100%를 차지한다고 가정하고, 밀도를 0.45GeV/㎤로 설정한 상태에서 약 90% 신뢰 수준을 가진다. 노란색 띠는 KSVZ와 DFSZ의 이론적 모델이 예측한 영역을 나타낸다. 확대된 버전은 4.2~5.0μeV 사이의 질량 범위에서 삽입 그림으로 표시되어 있다.
[그림 2] PRL 연구에 사용된 실험 장비
복잡한 신호선들로 구성된 냉각장치(중앙) 하단에 공진기가 설치되어 있다. 이 공진기는 12T 초전도 자석(우축하단) 안에 삽입된다.
[그림 3] 이번 연구에 사용된 피자 공진기
이번 연구에 사용된 3셀 공진기 안의 시뮬레이션된 전기장 분포. 각각의 셀은 하나의 작은 공진기 역할을 하며, 주어진 부피를 최대한 이용하면서 공진 주파수를 늘릴 수 있다.
1) 액시온의 이론적 모델에는 대표적으로 ‘DFSZ(Dine –Fischler-Srednicki-Zhitnitskii) 액시온’과 김진의 서울대 명예교수가 제안해서 우리에게도 잘 알려진 ‘KSVZ(Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov) 액시온’이 있다.
2024.08.22
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DNA 손상복구의 비밀, ‘손상우회 스위치’찾았다
DNA 손상복구의 비밀, ‘손상우회 스위치’찾았다
- DNA 손상 시에도 복제는 중단없이··· PCNA 단백질 활성 조절 메커니즘 규명-
- DNA 손상우회 신호의 부적절한 증폭 조절해, 유전체 안정성 확보 -
DNA 손상으로 복제 장애가 발생하더라도, 정상적인 DNA 합성이 재개될 수 있도록 도와주는 암 억제 단백질 ATAD5 1) 의 새로운 역할이 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 강석현 연구위원 연구팀은 ATAD5가 DNA 손상 시에도 DNA 복제는 중단되지 않도록 유도하는 손상우회 신호를 부적절하게 증폭되지 않도록 조절해, 유전체 안정성을 유지 하는 역할을 함을 밝혔다.
염색체 복제 과정에서 DNA 손상으로 복제 장애가 발생하면, 합성 중인 DNA를 감싸 다양한 단백질과 DNA 간의 상호작용을 매개하는 필수 단백질 증식세포항원(PCNA , Proliferating Cell Nuclear Antigen) 2) 이 유비퀴틴 단백질과 결합하여 유비퀴틴화가 일어난다.
유비퀴틴화된 PCNA(Ub-PCNA) 는 DNA 손상복구 단백질들을 손상 부위로 끌어와 복제가 계속될 수 있도록 유도하지만, 이는 부정확하고 비효율적이다. 그래서 탈유비퀴틴화 효소를 통해 Ub-PCNA에서 유비퀴틴이 제거되어야 정상적인 DNA 합성을 재개 할 수 있지만, 이러한 Ub-PCNA 탈유비퀴틴 과정은 지금껏 규명되지 않아왔다.
이에 IBS 연구팀은, ATAD5가 탈유비퀴틴화의 핵심 인자임을 규명 했다. 다양한 돌연변이를 이용해 ATAD5의 N-말단 부위가 DNA에 결합된 Ub-PCNA를 인식하고, 탈유비퀴틴화 효소인 UAF1-USP1 복합체를 불러들여 Ub-PCNA를 변형 전의 PCNA로 환원시키는 탈유비퀴틴화 과정을 설명 했다. 특히 돌연변이 ATAD5 단백질을 발현하는 세포를 이용해, ATAD5가 PCNA 탈장착 과정과 탈유비퀴틴화 과정을 동조화 시켜 핵 내에 Ub-PCNA가 쌓이지 않도록 조절함으로써 DNA 손상우회의 부적절한 증폭과 활성화를 막음 을 확인했다.
또한 ATAD5 단백질과 탈유비퀴틴화 효소 USP7-USP11 간의 새로운 상호작용을 발견하여 이들이 UAF1-USP1 복합체와 함께 다중 유비퀴틴화 PCNA의 효율적 탈유비퀴틴화에 기여 함을 확인했다.
더 나아가, 생쥐 모델을 통해 탈유비퀴틴화 효소와의 결합을 방해하는 ATAD5의 돌연변이가 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화를 억제하고, 생쥐 피부의 UV에 의한 DNA 손상을 증가시킴을 확인해 DNA 복제 및 손상복구 과정이 어떻게 연동되어 유전체 안정성을 유지하는지 이해하는 중요한 단서를 찾았다.
강석현 IBS 연구위원은 “향후, ATAD5와 탈유비퀴틴화 효소 복합체의 구조적 특성을 밝히고 그 생화학적 활성과 연계하여 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴 과정을 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 찾을 예정이다.”라고 앞으로의 연구계획을 밝혔다.이 연구 결과는 세계적인 미국국립과학원회보 (PNAS, IF 9.4)에 2024년 8월 13일(한국시간 오전 4시) 온라인 게재됐다.
그림 설명
[그림1] ATAD5 단백질과 UAF1-USP1 탈유비퀴틴화 효소에 의한 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화 조절이 유전체 안정성에 기여함
야생형 (WT) 혹은 UAF1-USP1에 결합하지 못하는 돌연변이 ATAD5를 가진 생쥐의 피부를 UV로 조사한 후, 피부세포에서의 DNA 손상 정도를 TUNEL 분석방법으로 확인하였다. 돌연변이 ATAD5 생쥐의 DNA 손상이 약 세 배 정도 높다.
[그림 2] ATAD5 단백질은 DNA에 결합한 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화를 촉진함.
ATAD5는 UAF1-USP1 탈유비퀴틴화 효소와 상호작용하여 DNA에 결합한 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화를 촉진한다. ATAD5는 PCNA를 DNA로부터 분리하는 PCNA의 탈장착 복합체의 주요인자기도 하며, Ub-PCNA의 DNA 분리와 탈유비퀴틴화를 동조화시킴으로써 핵질내에 Ub-PCNA가 부적절하게 쌓이지 않도록 한다.
1) ATAD5 : 4개의 단백질(RFC2,3,4,5)과 복합체를 형성하여 PCNA를 조절하는 복제 조절 단백질이다. 염색체 복제 후 기능을 다한 PCNA를 DNA로부터 떼어내는 PCNA 탈장착 복합체의 중요한 구성 단백질이다.
2) PCNA(Proliferting Cell Nuclear Antigen, 증식성세포항원): DNA에 결합하여 DNA 합성을 돕는 단백질. DNA 합성 과정에서 여러 단백질을 끌어와 합성을 돕고, 이후 ATAD5에 의해 DNA와 분리된다.
2024.08.13
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결맞음 시간 긴 큐비트 후보 원소 찾았다
결맞음 시간 긴 큐비트 후보 원소 찾았다
- IBS 양자나노과학 연구단, 란타나이드 원자의 양자 소자 응용 가능성 확인 -
▲ 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단은 주사터널링현미경의 탐침(왼쪽 위)고 마이크로파(오른쪽 위)를 사용하여 어븀 원자의 스핀 상태를 조작하고 관찰하는 데 성공했다.
좋은 큐비트(양자비트)의 조건에는 대표적으로 효율적인 조작과 ‘결맞음(coherence)’이 있다. 결맞음은 큐비트(양자비트)들이 상호작용을 하는 와중에도 주요 양자현상인 얽힘과 중첩을 유지하는 능력이다. 즉, 큐비트 조작이 용이하면서도 작동 가능한 상태가 오래 유지되어야 한다는 의미다. 문제는 두 조건이 서로 충돌되는 경우가 많다는 것이다.
기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단은 양자컴퓨터의 품질과 직결되는 두 조건을 모두 충족하는 새로운 원소를 찾아내고, 그 연구결과를 7월 20일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communication)’에 발표했다.
어븀(Er)을 비롯한 란타나이드(주기율표에서 원자번호 57~71번 원소) 원자들은 긴 결맞음 시간을 가진 동시에 전자스핀 판독이 쉬워 유망한 양자 소재로 각광 받아왔다. 그러나 전기적 방법을 이용해 란타나이드 원자의 양자 상태를 제어한 연구는 없었다.
▲ 티타늄과 어븀 원자를 결합한 구조의 STM 이미지.
IBS 연구진은 전기적 방법을 이용해 란타나이드 원자의 전자 스핀을 제어하고 검출하는 데 처음으로 성공했다. 우선, 연구진은 원자를 하나씩 관찰하고 조작할 수 있는 주사터널링현미경(STM)을 이용해 어븀 원자와 티타늄 원자를 결합했다. 이를 통해 어븀 원자의 전자스핀을 정밀하게 제어할 수 있었다. 이렇게 제어한 어븀 원자의 스핀 상태는 티타늄 같은 전이금속 원자보다 약 5배 긴 1마이크로초에 달했다. 양자컴퓨팅 등 양자 논리 단위를 구축하는 데 있어 란타나이드 원자를 적용할 수 있음을 보여준 셈이다.
연구를 주도한 스테파노 레알레 IBS 양자나노과학 연구단 연구원(박사과정)은 “어븀 원자의 양자 논리 연산 잠재력은 이미 알려져 있었지만, 순수 전기적 방법으로 결맞음 제어를 달성하는 것은 큰 도전이었다”며 “양자 컴퓨터와 초고밀도 데이터 저장 등 분야에서 란타나이드 원자를 활용할 수 있는 가능성을 연 것으로 향후 양자 상태 조작과 결맞음 유지 사이의 균형을 더욱 최적화하는 방법을 탐구할 계획”이라고 말했다.
2024.08.02
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분자 하나로 양자의 성격 읽는 센서 개발
분자 하나로 양자의 성격 읽는 센서 개발
- 한-독 연구진, 양자 물질을 위한 MRI 개발 … Nature Nanotechnology誌 게재 -
- 원자 수준에서 물질 탐구하는 양자 기술‧생화학 등 분야 응용 기대 -
지름이 1~2Å(옹스트롬, 1Å은 10분의 1nm)에 불과한 원자를 광학현미경으로는 볼 수 없다. 빛의 파장이 수백 nm가 훌쩍 넘기 때문이다. 작은 원자를 정밀하게 시각화하려면 관찰하는 도구도 그만큼 작아져야 한다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 안드레아스 하인리히 양자나노과학 연구단장 (이화여대 석좌교수) 연구팀은 독일 율리히연구소와 국제 공동연구를 통해 원자 세계를 위한 양자 센서를 개발 했다.
양자 센서는 양자얽힘이나 중첩과 같은 양자역학적 현상을 정밀 측정에 이용하려는 기술이다. 큐비트(양자비트)가 초전도, 이온트랩, 양자점 등 다양한 설계 방식으로 구현되듯, 양자 센서도 다양한 종류가 개발됐다. 하지만 기존 기술은 원자 수준의 공간 해상도(센서가 감지할 수 있는 최소 거리)를 달성하지는 못했다.
공동 제1저자인 디미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 박사후연구원은 “ 작은 대상을 보려면 관측 도구 역시 작아져야 한다 ”며 “물질을 시각화하는 기존 기술은 거대하고 부피가 큰 탐침을 사용하여 작은 원자의 특성을 분석하려고 했다”고 말했다.
연구진은 양자 물질을 위한 일종의 자기공명영상장치 (MRI) 를 고안 했다. 연구진이 고안한 시각화 기술은 주사터널링현미경(STM) 1) 의 뾰족한 탐침 끝에 PTCDA라는 분자를 부착하고, 전자스핀공명(ESR) 2) 측정을 수행하는 방식이다. 연구진은 PTCDA 분자가 탐침과 접촉하고 있는 상태에서도 재료의 전자스핀공명 측정이 가능하다는 것을 확인했다.
이후 연구진은 원자 단위 센싱 성능을 검증 했다. 은(Ag)과 철(Fe)이 섞인 물질에서 각 원자의 전기장과 자기장을 측정할 수 있었다. 기존 기술은 단일 원자 크기 수준의 시료에서 전자기장 및 자기장을 측정하기 어려웠고 또한 원자 크기 수준의 분해능으로 시료의 위치를 특정하는 것이 불가능했다.
개발된 양자 센서는 독보적 성능을 나타냈다. 공간 분해능이 대폭 향상 됐다. 0.1Å의 공간 분해능으로 자기장과 전기장의 변화를 감지할 수 있었다. 원자의 지름보다 10배 이상 작은 공간에서 나타나는 변화까지 감지할 수 있다는 의미다.
연구진은 개발한 양자 센서가 양자 물질과 소자 설계, 새로운 촉매 개발, 생화학 분자의 양자 특성 탐구 등에 폭넓게 응용될 것으로 기대하고 있다. 새로운 장비를 갖출 필요 없다는 것도 응용에 있어 큰 장점으로 다가온다. STM을 갖춘 실험실이라면 손쉽게 기존 장비를 활용해 양자 센서를 구현할 수 있다.
공동 제1저자인 타너 에삿 독일 율리히연구소 연구원(前 IBS 양자나노과학 연구단 박사후연구원)은 “우리 연구진이 개발한 양자 센서는 MRI만큼 풍부한 이미지를 제공하는 동시에 단일 원자 수준의 공간 분해능을 갖춘 ‘게임 체인저’다”라며 “가장 기본적인 수준에서 물질을 탐구하고 이해할 수 있게 될 것”이라고 말했다.
공동 교신저자인 배유정 스위스 연방 재료과학기술 연구소 그룹리더(前 IBS 양자나노과학 연구단 박사후연구원)는 “물질을 관찰하고 연구하기 위한 도구의 혁명은 축적된 기초과학에서 비롯된다”며 “‘바닥에는 여전히 많은 공간이 있다’는 리차드 파인만의 명언처럼 물질을 단일 원자 수준에서 조작하는 기술의 잠재력은 무한하다”고 말했다.
연구 결과는 7월 25일 18시(한국시간) 나노 기술 분야 권위지인 ‘ 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology, IF 38.3)’에 게재됐다.
그림 설명
[그림1] 독보적 성능을 갖춘 양자 센서 제시
기존 STM 이미지(왼쪽)와 개발된 양자 센서로 얻은 이미지(오른쪽)의 성능을 비유한 그림. 기존 STM으로 원자를 관찰하면 흑백의 저해상도 이미지만 얻을 수 있었지만, 새로운 양자 센서는 고해상도의 생생하고 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
[그림2] 양자 센서 구동 원리
연구진은 STM의 탐침 끝에 PTCDA 분자를 부착하고, ESR을 측정하는 방식으로 전례 없는 수준의 감도와 공간 분해능을 달성했다.
1) 주사터널링현미경(STM) : 뾰족한 금속 탐침으로 표면을 읽어 원자를 관찰하는 기술로, 인형 뽑기처럼 원자 하나를 집어 위치를 이동시키는 것도 가능하다.
2) 전자스핀공명(ESR): 스핀의 방향이 위(↑)나 아래(↓)로 바뀌는 과정에서 방출하는 에너지 크기를 토대로 원자 내부 상태를 파악하는 기술이다.
2024.07.25
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뇌세포 속 우체국, ‘골지체’ 작동시키는 핵심 이온 채널 밝혔다
뇌세포 속 우체국, ‘골지체’ 작동시키는 핵심 이온 채널 밝혔다
- IBS, 세포 내 단백질 변형․운송 담당하는 골지체의 양이온 채널 규명 -
- 손상 시 기억력 감퇴...인지 장애 등 뇌질환에 대한 새로운 치료 표적 제시 -
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀과 바이오분자 및 세포 구조 연구단 김호민 CI (Chief Investigator, KAIST 생명과학과 교수) 연구팀은 세포 속 단백질의 변형과 운송을 담당하는 ‘골지체’의 형태 유지와 기능에 핵심적인 이온 채널(통로)의 작동 메커니즘을 규명 했다. 또한, 뇌세포 골지체의 이온 채널 손상과 인지 장애와의 관계를 밝혀 뇌질환에 대한 새로운 치료 표적을 제시 했다.
골지체(Golgi apparatus)는 세포에서 우체국 역할을 수행한다. 소포체로부터 합성된 지질과 단백질 등을 받아들여 가공․변형시키고, 다른 세포 소기관과 세포 외부로 운송한다. 골지체의 형태 유지와 기능을 위해서는 이온 채널에 의해 내부가 pH 6.0~6.7의 약산성으로 유지되는 것이 중요 한데, 이온 채널의 이상은 골지체의 구조적 변화를 일으킨다고 알려져 있다. 이러한 변화는 인지 장애를 동반한 알츠하이머에서 흔히 발견되지만 이온 채널에 대한 이해 부족으로 골지체 구조와 인지 장애 사이의 관계는 여전히 명확하지 않았다.
이창준 단장 연구팀은 뇌세포 골지체의 주요 이온 채널을 찾기 위해 기능이 알려지지 않은 막단백질에 집중해왔다. 2023년에는 해마의 별세포 1) 와 신경세포에서 높게 발현하는 것으로 확인된 TMEM87A라는 막단백질이 뇌세포의 골지체 내 산도를 조절하는 양이온 채널 임을 밝혔다. 그리고 이 막단백질의 생리적 역할을 강조해 ‘ 골프캣 (Golgi-pH-regulating cation channel, GolpHCat)’ 으로 명명 했다.
이번 연구에서는 김호민 CI단장 연구팀과 함께 IBS의 초저온 전자현미경 2) (Cryo-EM) 을 이용해 3.1 옹스트롬(1/1억 cm)의 초고해상도로 골프캣의 3차원 분자 구조를 규명 했다. 또한 전기생리학 실험과 분자동역학 분석을 통해 이온의 이동경로를 제시하고, 골프캣이 세포막 통과 단백질의 전압 변환에 따라 통로가 열리는 전압 의존성 채널 임을 밝혔다.
골프캣은 세포 외부에서 세포막으로 이어지는 내강 도메인과 7개의 세포막 관통 나선을 가진 막 관통 도메인의 구조로 이루어졌으며, 막 관통 도메인의 중앙 에는 공동(空洞)을 가지고 있다. 공동은 골지막에서 유래한 포스파티딜에탄올아민 3) (Phosphatidylethanolamine) 의 지방산 사슬에 의해 물리적으로 차단 되어 이온이 통과되지 않는다. 그러나 전압이 가해지면 전압 감응센서 역할을 하는 막 관통 도메인의 세 번째 나선이 활성화돼 개방 된다. 이때, 골프캣의 깔때기 모양 내강 안쪽에 분포해 있는 음전하를 띈 잔기가 나트륨(Na), 칼슘(K), 세슘(Cs) 양전하 이온을 내부로 끌어들인다. 이렇게 골프캣은 양이온이 이동하는 통로 가 되며, 음이온 채널과 함께 골지체의 막전압을 적절히 조절해 내부 산도 등 항상성 유지 에 기여한다.
또한, 연구팀은 골프캣 손상에 따른 생물학적 기능 변화를 확인하기 위해 골프캣 유전자가 결손된 생쥐의 뇌세포를 관찰 했는데, 골지체가 파편으로 나뉘거나 부어오르는 등 비정상적인 구조 변화를 확인 했다. 구조 변화는 골지체의 주요 기능 중 하나인 단백질 글리코실화 4) (Glycosylation) 작용을 방해 하고 결국, 생쥐의 학습 및 기억력 손상 으로 이어졌다. 이러한 결과는 골프캣의 정상적인 작동이 인지 기능에 중요 함을 나타내며 골프캣을 표적으로 하는 새로운 인지 장애의 치료 가능성을 시사 한다.
김호민 CI는 “이번 연구는 신경생물학, 구조생물학, 분자동역학, 글리코믹스(당질체학) 등 다양한 첨단바이오 분야 연구기술이 총망라된 기초․공학 융합연구의 결과 ”라며, “학문 간 장벽을 허물고 협력하여 우수한 성과를 거둔 성공적 사례”라고 말했다.
연구를 이끈 이창준 단장은 “골지체의 형태적․기능적 변화가 어떻게 기억력에 관여하는지 밝혔다”라며, “ 골치체의 분자적 메커니즘을 정확히 이해 하면 다양한 신경 퇴행성 뇌질환에서 발견되는 인지 장애에 대한 새로운 치료방법을 찾을 수 있을 것으로 기대 한다”라고 전했다.
새로운 골지체 이온 채널을 발견하고 그 기능과 구조, 생리학적 중요성을 규명한 이번 연구는 IBS의 생명과학 분야 연구단 간 연구협력 시너지를 높이기 위해 출범한 IBS 생명과학 연구클러스터의 대표적 공동 연구성과다. 또한 최선 이화여자대학교 약학과 교수(과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업, 바이오·의료기술개발사업(인공지능 활용 혁신신약 발굴사업), 선도연구센터 지원사업(MRC)), 안현주 충남대학교 분석과학기술학과 교수 연구팀이 공동으로 수행했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF=14.7)’에 7월 11일 (한국시간) 온라인 게재 됐다.
그림 설명
[그림 1] GolpHCat의 분자구조연구에 대한 모식도
초저온전자현미경법을 이용해 고해상도로 인간 GolpHCat의 분자구조를 규명해 GolpHCat이 두 개의 도메인으로 구성된 단량체의 특이한 구조를 가진 이온채널임을 밝혔다. 약리학적 억제제(글루코네이트)와의 복합체 구조 및 인지질 결합 방해 돌연변이 구조를 추가적으로 규명했다. 이들 분자구조를 바탕으로, 전기생리학실험과 분자동역학 모델링 실험을 통해 단량체 내부의 이온전달경로와 전압감응채널개폐 작용기전을 규명했다. 특히, GolpHCat의 깔때기 모양 내강 안쪽에는 음전하를 띈 잔기가 분포해 있어 양이온들을 끌어들이는 입구 역할을 수행함을 밝혔다. 약리학적 억제제가 GolpHCat 안쪽 중요한 이온전달경로를 막고 있음을 확인했다(오른쪽 위). 또한, 분자동역학실험을 통해 인지질의 결합 경로와 인지질의 다양한 결합 형태를 확인했고, 골프캣의 전압감응센서와 전압감응 채널 개폐 기전을 제안했다(오른쪽 아래).
[그림 2] GolpHCat은 정상적인 골지체 구조 유지에 중요
GolpHCat은 골지체 pH를 조절하는 양이온 채널로써, 해마 내 별세포와 신경세포의 골지체가 정상적인 구조를 유지하는 것에 중요하다.
해마 내 별세포(Astrocyte)와 신경세포(Neuron)의 골지체 구조를 투과 전자 현미경을 이용해 관찰하였다. GolpHCat 유전자 결손 생쥐(GolpHCat KO)의 별세포와 신경세포 내 골지체 모두 대조군(WT)에 비해 골지의 최대 길이(Maximum length of golgi cisternae)는 줄어들고 골지 폭(Width of Golgi)은 늘어나면서, 쪼개지거나 부풀어 오른듯한 구조를 보였다. 해마 내 별세포와 신경세포의 골지체가 정상적인 구조를 갖는 데에는 GolpHCat이 관여한다.
[그림 3] GolpHCat 유전자 결손 생쥐에서 나타나는 기억력 감퇴 현상
해마 내 별세포와 신경세포에 발현하는 GolpHCat 유전자 결손 생쥐에서 해마 의존적인 기억력이 감소하는 것을 확인했다.
(왼쪽) 생쥐의 공간 기억을 평가하는 새로운 장소 인식 실험(Novel place recognition test)은 생쥐가 탐색상자에 놓인 두 개의 물체를 탐색한 뒤 일정 시간 후 두 물체 중 하나를 새로운 위치로 옮겼을 때, 생쥐가 물체를 탐색하는 것을 관찰해 물체의 위치(공간)을 기억하는지를 평가한다. GolpHCat 유전자 결손 생쥐(GolpHCat KO)는 대조군(WT)에 비해 익숙한 물체의 탐색 시간이 늘어나고, 오히려 새로운 위치의 물체를 탐색하는 시간이 줄어들며 식별력과 공간 기억력이 저하됐다.
(오른쪽) 생쥐의 맥락적 기억을 평가하는 맥락적 공포 조건화 실험(Contextual fear conditioning test)은 실험상자의 바닥을 통해 약한 전기 충격을 받은 생쥐가 상당 시간 후 다시 실험상자에 놓였을 때, 얼어붙듯 움직이지 못하며 공포 반응을 보이는지를 관찰하여 맥락적 기억을 평가한다. 유전자 결손 생쥐(GolpHCat KO)는 대조군(WT)에 비해 공포 반응 시간이 줄어들어 맥락적 기억력이 저하됐다.
1) 별세포(Astrocyte) : 뇌에서 가장 많은 수를 차지하는 별 모양의 비신경세포
2) 초저온 전자현미경(Cryo-EM) : 생체 시료를 영하 200℃에 가까운 초저온 상태로 동결시켜 정밀 관찰하는 전자현미경이다. 일반 광학현미경에 비해 수천 배 이상의 높은 해상도를 가진다. 자유롭게 움직이는 단백질은 물론 바이러스 등 생체 분자의 3차원 구조를 원자 수준에서 규명할 수 있다.
3) 포스파티딜에탄올아민(Phosphatidylethanolamine) : 인산기에 에탄올아민이 결합된 인지질의 한 종류로, 세포막의 중요한 구성 성분이다.
4) 글리코실화(Glycosylation) : 글리코실화(또는 당화)는 단백질 변형 중의 하나로, 단백질의 세린이나 아스파라진 등 아미노산에 탄수화물(당)이 결합하는 현상이다. 단백질에 탄수화물이 결합함으로써 단백질에 실제 기능이 생기거나 활성화된다.
2024.07.16
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바이러스는 죽어서 면역에 흉터를 남긴다
바이러스는 죽어서 면역에 흉터를 남긴다
- IBS 한국바이러스기초연구소, C형 간염 바이러스가 남긴 후성유전학적 흔적 발견 -
- 염증성 질환 가능성 있어 장기적인 환자 건강 모니터링 필요성 제시 -
호랑이는 죽어서 가죽을 남기고, 사람은 죽어서 이름을 남긴다는 말이 있다. 그럼 바이러스는 죽어서 무엇을 남길까. 우리 몸이 바이러스에 감염됐다가 회복한 이후 생기는 변화에 대해서는 그간 연구가 많이 이뤄지지 않았다.
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 한국바이러스기초연구소 바이러스 면역 연구센터 신의철 센터장 (KAIST 의과학대학원 교수) 연구팀은 서울시 보라매병원, 연세대 세브란스병원 연구팀과 공동으로 C형 간염 바이러스가 사라져도, 환자의 면역세포에는 지워지지 않는 흔적이 남는다 는 것을 알아냈다.
C형 간염은 C형 간염 바이러스(HCV)의 혈액이나 체액 전파로 인해 발생한다. 감염되면 절반 이상이 만성으로 진행되며, 장기간 염증이 반복되면서 간이 굳는 간경화나 간암 등 합병증을 초래한다. 우수한 항바이러스제가 개발되며 완치율이 100%에 근접해졌지만, 치료 후에도 환자의 면역 체계가 완전히 정상화되지 않는다는 보고 가 있었다.
IBS 연구진은 만성 C형 간염 치료 후 면역계의변화를 규명하기 위해 조절 T세포에 주목 했다. 조절 T세포는 면역 반응의 조절 및 항상성 유지를 담당하는 세포로, C형 간염 바이러스 감염 시 그 수가 늘어나고 활성도 변화를 겪는 것으로 알려져 있었다.
우선, 연구진은 만성 C형 간염 환자의 혈액을 채취해 항바이러스제 치료 전후 조절 T세포의 상태를 비교 했다. C형 간염 바이러스에 감염되면 말초 혈액 속 조절 T세포가 많아지는데, 바이러스 제거 후에도 많은 수가 유지 됐다. RNA 염기서열분석으로 살펴본 결과, 바이러스가 사라져도 염증성 사이토카인인 TNF(종양괴사인자) 생산 능력이 사라지지 않았다. 바이러스 감염으로 인해 변한 조절 T세포의 염증성 특성이 완치 후에도 여전히 남아 있다 는 의미다.
공동 제1저자인 김소영 연구원은 “C형 간염 치료 후에도 조절 T세포가 정상화되지 않는다는 보고는 이전에도 있었지만, 분자 수준에서 세포 집단의 변화를 규명해 바이러스가 남긴 ‘면역 흉터’를 명확히 그려낸 건 이번이 처음”이라고 말했다.
이어 연구진은 유전자의 후천적 변화를 살펴볼 수 있는 첨단 기법(ATAC-seq)을 이용해 치료 전후 조절 T세포를 비교 분석했다. 그 결과 C형 간염 바이러스 치료 이후에도 면역에는 염증성 후성유전학적 변화가 남아 있음을 확인했다.
공동 제1저자인 고준영 연구원은 “항바이러스제 치료는 간암 등 합병증 발병 위험을 효과적으로 감소시키지만, 면역에 남은 흔적이 회복된 환자의 면역 체계에 장기적인 영향을 미칠 수 있음을 보여준다”고 설명했다.
연구진은 염증성 후성유전학적 변화가 생기면 만성 C형 간염 환자가 완치 후에도 염증성 질환이 잘 생기게 될 것이라고 추정 하고 있다. 더 나은 환자 치료 및 관리를 위해 조절 T세포에 남은 흔적이 환자의 건강에 미치는 영향을 구체적으로 밝히는 추가 임상 연구가 필요함을 보여준다.
연구를 이끈 신의철 센터장은 “다른 만성 바이러스 감염에서도 유사한 후성유전학적 흔적이 남아 있는지 살펴볼 계획”이라며 “어쩌면 코로나19 이후에 겪는 롱-코비드 역시 조절 T세포에 남은 흔적이 원인일 수 있어 추가 연구가 필요하다”고 말했다.
연구 결과는 6월 13일 국제학술지 의학 분야 권위지인 ‘ 간장학 저널 (Journal of Hepatology, IF 26.8)’ 온라인판에 실렸다.
※ 논문명: Epigenetic scars in regulatory T cells are retained after successful treatment of chronic hepatitis C with direct-acting antivirals
그림 설명
[그림1] 만성 C형 간염 환자의 항바이러스제 약물치료 이후에도 조절 T세포에 염증성 흔적이 남는다는 연구 결과
만성 C형 간염 환자의 말초 혈액에서 조절 T세포의 수적 증가가 나타난다. 이러한 증가는 치료 이후에도 지속됨을 확인하였다. 조절 T세포는 만성 C형 간염 환자의 전사체와 후성유전체에서 정상인 대비 증가된 염증성 특성을 가지는 것으로 확인됐다. 이러한 변화는 치료 이후에도 유지됐다. 유전체적 변화로 인하여 만성 C형 간염 환자의 조절 T세포는 염증성 사이토카인인 TNF를 분비할 수 있게 된다.
2024.07.09
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