• 단백질 ‘생산 설계도’보호하는 RNA 조절 기전 찾았다 단백질 ‘생산 설계도’보호하는 RNA 조절 기전 찾았다 단백질 ‘생산 설계도’보호하는 RNA 조절 기전 찾았다 - IBS-KAIST, 자체 개발 단일핵산 분석법 적용해 mRNA 꼬리 분해 기전 규명 - - RNA 첨단 신약 개발의 핵심 분석 기술로 활용 기대 - 생명체는 DNA, RNA, 단백질과 같은 바이오분자들의 조절 작용으로 다양한 생물학적 기능을 수행한다. 바이오분자들의 조절로 유전 정보가 전달되고, 잘못 전달된 정보는 유전자 변형이나 감염성 질병의 원인 이 된다. 따라서 분자생물학적 조절 연구는 유전자 치료제와 첨단 백신 개발에 중요하다. 특히, 2023년 코로나 mRNA 백신 기술을 개발한 과학자들이 노벨 생리의학상을 수상하면서 RNA 조절 연구에 기반한 첨단신약, 바이오공학 기술이 크게 주목받고 있다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 RNA 연구단 김빛내리 단장 (서울대 생명과학부 석좌교수), 미국 국립암연구소 유진 발코프 (Eugene Valkov) 박사 , KAIST (총장 이광형) 바이오및뇌공학과 이영석 교수 공동연구팀이 자체 개발한 단일핵산 분석법을 적용해 전령 RNA (messenger RNA, 이하 mRNA) 분해의 새로운 조절 기전을 찾았다 고 밝혔다. mRNA는 긴 단일 가닥 RNA 분자로, DNA에 보관된 유전 정보를 단백질에 전달하는 매개체로서 마치 단백질의 ‘생산 설계도’와 같다. 예를 들어, 코로나 mRNA 백신은 약 4,000개의 RNA 분자로 이루어져 있으며, 코로나 스파이크 단백질의 유전 정보와 다양한 RNA 변형을 활용해 스파이크 단백질 생산을 조절하도록 설계되어 있다. 결국 RNA 기능과 조절에 따라 유전자 치료제 및 mRNA 백신의 효능이 결정 된다. 연구진은 다양한 RNA 조절 인자 중 특히 mRNA 꼬리에 주목해 왔다. mRNA는 말단에 50-150개의 아데닌 염기로 구성된 긴 꼬리를 갖는데, mRNA를 보호하고 단백질 합성을 촉진하는 역할을 한다. 그동안 이 꼬리는 아데닌으로만 구성된 것으로 알려졌지만, 연구진은 지난 연구에서 비(非) 아데닌 염기가 추가된 ‘혼합 꼬리(Mixed tail)’가 존재한다는 사실을 보고 하였고, 이 혼합 꼬리가 mRNA의 분해를 막는 역할을 하여 유전자 활성을 높이는 데 기여 함을 밝힌 바 있다. 그러나 RNA 변형의 결과인 mRNA 꼬리는 그 변형의 특이적인 행태로 인해 생화학 실험과 정량적 분석에 어려움이 있었다. 또한, 50-150개 RNA 분자의 연속적인 변형에 대한 단일염기 분석이 필요하여 mRNA 혼합 꼬리 조절 기전 연구에 제한이 있었다. 이를 해결하기 위해 연구진은 미국 국립암연구소 유진 발코프 박사 연구팀과 함께 mRNA 꼬리 조절 연구를 위한 단일핵산 분석법을 개발 했다. 이어 이 분석법을 활용하여 세계 최초로 mRNA 꼬리가 분해되는 속도를 단일핵산 단위로 측정 하는데 성공, mRNA 꼬리의 새로운 분해 기전을 규명 했다. 연구진은 mRNA 분해를 유도하는 탈아데닐 복합체 (CCR4-NOT)를 이용한 탈아데닐화 시스템을 개발하고 단일 염기 단위의 분해 반응을 수학적으로 모델링하여 혼합 꼬리 분해 효과를 정량화 했다. 그 결과, 탈아데닐 복합체의 진행이 지연되는 위치를 확인할 수 있었으며, 복합체의 구성 요소들이 비 아데닌 염기에 의해 특정 위치에서 막혀 분해 속도가 조절 되는 것을 밝혔다. 즉, 비 아데닌 염기가 일종의 ‘과속 방지턱’ 역할 을 한다는 것을 입증한 것이다. 김빛내리 단장은 “mRNA 혼합 꼬리 조절에 대한 이해를 확장해 mRNA 안정성 조절과 유전자 발현 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공했다”라며, “혼합 꼬리에 기반한 다양한 유전자 치료법 연구와 RNA 첨단 신약 개발에 기여할 것” 이라고 말했다. KAIST 바이오및뇌공학과 이영석 교수는 “이번 연구는 분자생물학, 생화학 및 수학 분야가 만나 이룬 융합 연구의 결실”이라며, “미래 바이오공학 및 첨단바이오 분야 발전을 위한 공동연구의 중요성을 시사한다” 라고 연구의 의의를 밝혔다. 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 구조 분자생물학 (Nature Structural & Molecular Biology, IF=16.8)’에 지난 2월 19일 게재 됐다. 그림 설명 [그림 1] mRNA 꼬리에 대한 단일핵산 분석 방법론 (a) mRNA 꼬리 분해 과정에 대한 수학 모델링 모식도. mRNA 꼬리는 50-150개 RNA 분자의 연속적인 변형이라는 특이적인 형태임. 이러한 연속적인 변형을 단일핵산 단위로 탈아데닐화하는 과정을 수학적으로 모델링함. (b) 합성 RNA 꼬리(A20, A1, A0, UCU)와 CCR4-NOT 단백질 복합체를 활용한 mRNA 꼬리 분해 실험 기법. 인간 재조합 CCR4-NOT 단백질 복합체의 구성 요소인 CCR4 단백질과 CAF1 단백질은 단일핵산 단위로 탈아데닐화하는 핵심 효소임. 합성 RNA 꼬리 A20는 20개의 아데닌으로 구성된 꼬리를 포함함. (c) mRNA 꼬리 분해 분석을 위한 이미지 분석 및 데이터 전처리 과정. mRNA 꼬리 분해 실험에 대한 데이터 분석을 위하여 아날로그 이미지 데이터의 디지털화 및 데이터 정규화가 요구됨. 이를 활용하여, mRNA 꼬리 분해 실험에 대한 새로운 데이터 시각화 결과에 대한 예시임. (d) 수학 모델링을 활용한 단일핵산 분해 속도 측정. 합성 RNA 꼬리 A20는 20개의 아데닌으로 구성되어 있고, 이에 대한 20개의 단일핵산 탈아데닐화 속도를 측정하는데 성공함. (e) RNA 분해에 관한 컴퓨터 시뮬레이션 기반 분석 방법 검증. (d)에서 측정한 탈아데닐화 속도를 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 수행함. (c)와의 분해 과정을 비교하고, 그 유사도에 따라 RNA 분해 속도 및 수학 모델의 우수성을 검증함. [그림 2] mRNA 혼합 꼬리에 관한 새로운 분해 기전 모식도 탈아데닐 복합체(CCR4-NOT)의 CCR4 단백질과 CAF1 단백질은 탈아데닐화 효소임. (1) CAF1 단백질이 혼합 꼬리의 ‘과속 방지턱’을 사전 미리 인지하여 탈아데닐화 속도를 줄이고, (2) 단일핵산 탈아데닐 이후 CCR4 단백질도 속도를 줄인다. (3) 최종적으로, CAF1 단백질이 비아데닌 염기를 분해하면서 탈아데닐화를 재개한다. ‘과속 방지턱’ 역할을 하는 비 아데닌 염기로는 구아닌(G)과 유라실/사이토신(Y)이 있음. 2024.02.28
  • 뇌파 패턴 초음파로 뇌질환 치료한다 뇌파 패턴 초음파로 뇌질환 치료한다 뇌파 패턴 초음파로 뇌질환 치료한다 - 실제 뇌파 형태의 초음파 자극으로 뇌 기능의 양방향 조절 성공 - - 부작용 없는 장기적 효과 확인…뇌질환 치료 및 관련 연구에 응용 기대 - 외과적 수술 없이도 초음파 자극으로 뇌신경을 조절하는 방법이 새롭게 제안됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 (단장 이창준) 박주민 연구위원 (UST-IBS 스쿨 교수) 연구팀은 뇌파를 모사한 두 가지 패턴의 초음파 자극으로 뇌신경을 조절하는 기술을 개발 했다. 기존의 전․자기적 자극을 이용하는 비침습적 방법에 비해 뇌의 심부까지 효과적으로 자극 할 수 있고, 그 효과도 장기적으로 지속 돼 뇌질환 치료 및 관련 연구에 응용이 기대 된다. 우리 뇌는 생체 내외 환경 변화에 맞춰 기능과 형태를 조절할 수 있는 능력을 갖고 있다. 이것은 다양한 자극과 신호전달 강도에 따라 신경세포 간 연결이 조절되는 ‘신경 가소성’이라는 뇌의 주요한 특성 덕분이다. 이를 활용해 전․자기, 빛, 소리 등의 자극으로 신경 활동을 조절 해 우울증, 뇌전증과 같은 뇌질환을 치료하기 위한 다양한 방법들이 개발 되어 왔다. 하지만 금속 전극을 뇌 속에 삽입하는 등 외과적 수술을 통한 방법은 뇌 조직 손상, 감염 등의 부작용을 유발할 수 있다. 최근에 널리 활용되는 경두개 자기 자극이나 경두개 직류 자극같이 신체 외부에서 전․자기 자극을 가하는 비침습적 방법은 뇌 투과율과 공간 해상도가 낮아 특정 뇌 영역 및 뇌 심부에 대한 신경 조절이 어렵다는 한계가 있다. 연구팀은 기존의 신경 조절 기법의 한계를 극복할 방법으로 초음파 신경 조절 기술에 주목 했다. 초음파는 뇌 심부까지 정밀하게 자극이 가능 하다. 이런 초음파의 특성에 더해 이번 연구에서는 실제 뇌파의 형태를 모사한 새로운 초음파 방식을 적용 했다. 먼저 연구팀은 저강도 500 킬로헤르츠(kHz) 초음파를 이용해 우리 뇌의 인지 기능에 중요한 것으로 알려진 세타파와 감마파를 결합한 형태의 파장을 생성 했다. 저강도 초음파는 자극 과정에서 열에 의한 조직 손상 등 부작용이 없다는 장점 이 있다. 이어 뇌파 분석으로 기계적 자극인 초음파가 실제 뇌에서 동일한 파장의 전기적 신호 형태의 뇌파를 활성화한다는 사실을 확인했다. 이를 바탕으로 뇌의 기능 변화를 강화와 억제 , 두 방향 어느 쪽으로도 가능하게 하는 두 가지 패턴의 조절 기술을 개발 했다. 이 기술은 동일한 초음파 에너지의 패턴을 뇌의 기능에 맞춰 연속적인 자극을 주는 연속형 자극 패턴과 일정 간격마다 반복적으로 자극을 주는 간헐적 패턴을 달리 적용함으로써 뇌 기능을 조절할 수 있다. 연구팀이 두 가지 패턴의 초음파 자극을 실험동물 모델에 적용한 결과, 간헐적 패턴의 초음파를 적용 하면 뇌의 특정 영역에 대한 장기적인 흥분 효과가 유도 됐다. 반대로, 연속형 자극 패턴을 적용 하면 장기적인 억제 효과가 유도 됨을 확인했다. 이러한 효과는 자극이 끝난 뒤에도 장기간 지속 됐다. 연구팀은 초음파 자극에 의한 양방향 신경 조절 과정에 비신경세포인 별세포(astrocyte)의 칼슘채널 TRPA1 1) 과 칼슘의존이온채널 BEST1 2) 이 중요한 역할을 수행한다는 사실을 밝혔다. 초음파가 세포 내 칼슘 흡수를 매개하는 TRPA1을 자극하면 세포 내 칼슘의 농도가 높아지고, 칼슘에 의해 반응하는 BEST1이 활성화해 별세포로부터 흥분성 신호전달 물질인 글루탐산과 뇌신경인자들이 분비된다. 이후 글루탐산 수용체인 NMDAR과 AMPAR의 활성에 의해 신경세포의 활동이 조절되는 것이다. 추가 생쥐 행동실험에서 연구팀은 간헐적 뇌파 모사 패턴의 초음파 자극으로 생쥐의 운동 기술 습득 및 기억 능력을 개선하는 데도 성공 했다. 대뇌 운동피질에 간헐적 뇌파 모사 초음파 자극을 가한 생쥐는 투명 아크릴 벽 뒤에 있는 먹이를 좁은 틈으로 회수하는 실험에서 짧은 시간 내에 더 높은 먹이 회수율과 학습 능력을 보였다. 이는 초음파 자극을 이용한 뇌신경 조절 기술이 뇌의 인지 기능을 향상시키는데 효과 적일 수 있음을 시사한다. 박주민 연구위원은 “이번 연구로 안전하고 장기적으로 효과가 지속되는 새로운 신경 조절 기술을 개발했을 뿐 아니라 초음파 신경 조절의 분자적 변화 기전을 밝혔다”라며, “ 비정상적인 뇌 흥분 및 억제와 관련된 뇌질환의 치료, 인지 기능 개선을 위한 연구에 활용될 것으로 기대 한다”라고 전했다. 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘ 사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’에 2월 24일 (한국시간) 게재 됐다. 그림 설명 [그림 1] 초음파 실험의 기본적인 패러다임과 동기화된 뇌파 그래프 이번 실험에 사용된 초음파 프로토콜이다. 저자극 저진동수인 5Hz와 30Hz 초음파를 결합하여 2초 자극 후 8초 휴식하는 간헐적 자극(interval TBUS)과 40초 동안 연속적으로 자극을 주는 연속적 자극(continuous TBUS) 패턴을 고안했다. 아래 그림은 자극을 주는 동안의 서로 다른 두 종류의 뇌파인 세타파와 감마파 간의 위상-진폭 변화(Phase-amplitude coupling)를 통한 뇌파 변화를 나타낸 그래프이다. [그림 2] 초음파 자극에 의한 신경조절 기전 초음파 자극을 가한 뒤 나타나는 신경조절 기전의 모식도이다. 저강도 뇌파 유사 패턴의 초음파 자극은 별세포에 있는 TRPA1을 연쇄적으로 자극하여 BEST1 의존적 신경전달 물질 분비를 통하여 인접한 신경세포들을 자극함으로써 신경세포에서의 신경 가소성을 유발한다. 이를 통해 자극 패턴 의존적 기억 및 학습과 관련된 인지 기능의 변화 및 행동적 양상의 변화가 나타난다. 1) TRPA1 (transient receptor potential ankyrin1) : 세포막의 기계적 자극에 의해 활성화되는 채널(통로)이다. 이 채널을 매개로 하여 세포 내로 칼슘이 유입된다. 2) BEST1 (bestrophin1) : 칼슘에 반응하는 음이온 채널이다. 별세포에서 신경전달물질을 분비할 때 이용된다. 2024.02.26
  • IBS-KAIST, 차세대 반도체 솔리톤 안정화 기술 최초 개발 IBS-KAIST, 차세대 반도체 솔리톤 안정화 기술 최초 개발 IBS-KAIST, 차세대 반도체 솔리톤 안정화 기술 최초 개발 - IBS 복잡계 이론물리 연구단, 뒤틀림 이중층 자성체 기반 차세대 솔리톤 정보 처리 장치 발전 방향 제시 - - ‘메론’이라 불리는 솔리톤 스핀 구조체 안정화 성공 - 그림 1. 뒤틀림 이중층 강자성체에서 본 연구 결과를 통해 세계 최초로 발견된 안정한 위상적 솔리톤인 메론에 대한 모식도. 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 기술이 개발되었다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 복잡계 이론물리 연구단 김경민 선임연구원팀은 뒤틀림 자성체 1) 를 이용해 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.. 스핀트로닉스는 성장 한계에 다다른 기존 반도체 기술의 근본적인 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하고자 하는 연구 분야다. 이는 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대된다. 한편 솔리톤이란 특정한 구조가 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지하는 현상을 말하며, 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 개발이 전 세계 학계와 산업계에서 경쟁적으로 연구가 이뤄지고 있다. 이전까지 차세대 메모리 소자 개발을 위해 연구됐던 위상적 솔리톤은 스핀 구조체로 자연계에 존재하는 다양한 자성체 중 수직 이방성 2) 이라고 하는 특수한 성질을 갖는 자성체에서만 안정성을 갖는다고 알려져, 물질 선택의 제한으로 인해 솔리톤 기반 정보처리 기술 발전에 어려움이 있었다. IBS 김경민 선임연구원팀은 특정 단층 강자성체 3) 두 겹을 서로 뒤틀어 접합시켜 이중층 자성체를 구성할 경우, 수직 이방성을 띠지 않는 다른 종류의 자성체에서도 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있음을 세계 최초로 발견했다. 새롭게 발견된 안정적인 위상적 솔리톤은 수직이방성이 아닌 수평 이방성을 띄는 자성체에 존재하는 ‘메론’이라고 불리는 스핀 구조체로서 이전에는 그 안정화 메커니즘이 알려지지 않았던 솔리톤이다. 메론 안정화 기술의 확보로 지금까지 수직 이방성 자성체에만 국한되어 있었던 솔리톤 기반 차세대 반도체 기술 연구를 다양한 자성체로 확대 발전시킬 수 있을 것으로 기대되며, 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 작용할 것으로 예상된다. 이번 연구 결과는 자성체 내부에서는 안정적이지 않은 위상적 솔리톤이 두 자성체를 뒤틀어 접합할 경우, 자성체 간 상호작용을 통해 안정화될 수 있다는 것을 보인 첫 예시다. 여러 자성체를 뒤틀어 접합시키는 경우 자성체의 종류와 뒤틀림 각도를 조절함으로써 무한히 많은 자성 시스템을 구현할 수 있으므로, 뒤틀림 자성체 기반 스핀 기술이라고 하는 연구 영역을 새로이 개척했다고 판단된다. 본 연구는 KAIST 물리학과 김세권 교수 연구팀, 한양대학교 물리학과 박문집 교수팀과 공동으로 진행되었으며, 물리 및 화학분야 세계적인 학술지 `나노 레터스(Nano Letters, IF 12.262)'에 2월 20일 게재됐다. 1) 자성체: 자성을 띄는 여러 물체를 통칭함 2) 수직 이방성: 자화 방향이 자성체에 수직한 방향을 선호하게 되는 성질 3) 강자성체: 자성체 중에서도 상온의 철과 같이 자발적 자화를 띄는 물체를 뜻함 2024.02.20
  • 유전자 신호 감지해 스스로 클러치 작동하는 스마트 나노로봇 개발 유전자 신호 감지해 스스로 클러치 작동하는 스마트 나노로봇 개발 유전자 신호 감지해 스스로 클러치 작동하는 스마트 나노로봇 개발 - IBS 나노의학 연구단, 세계 최초로 나노로봇에 클러치 기능 탑재 - - DNA 클러치에 1조 개 정보 프로그래밍…자율주행 나노로봇 개발 눈앞 - 우리 몸속에서 세포보다 작은 크기의 초소형 로봇이 스스로 질병을 찾아내고 치료도 한다. 공상과학 영화에서나 등장할법한 이야기가 최신 지능형 나노로봇의 등장으로 곧 현실이 될 전망이다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장 (연세대 언더우드 특훈교수) 연구팀은 유전자 신호를 감지해 스스로 클러치를 작동하는 생체 나노로봇을 세계 최초로 개발 했다. 200㎚ 1) 크기의 극미세 영역 내 엔진, 로터(회전체), 클러치 등 기계 장치를 탑재해 특정 질병 인자를 감지하고 세포와 결합해 생체 신호를 조절 할 수 있다. 클러치는 기계의 엔진을 구동하는 핵심 요소 로, 엔진의 동력을 로터로 전달(go) 혹은 차단(stop)하는 장치다. 클러치로 인해 필요에 따라 선택적으로 기계를 구동할 수 있어 에너지 효율도 향상 된다. 놀랍게도 자연계의 박테리아 역시 편모의 운동을 제어하기 위해 생체 클러치를 이용한다고 밝혀진 바 있는데, 그동안 개발된 나노로봇에서는 클러치 기능을 구현하지 못했다. 연구진은 독창적인 구조를 설계함으로써 나노로봇에 클러치 장치를 탑재하는 데 성공 했다. 화학적 합성법을 통해 제작된 나노로봇은 다공성 구형(多孔性 球形) 로터 안에 자성 엔진이 있으며, 로터와 엔진은 각각 DNA로 코팅되어 있다. 로터 표면의 구멍을 통해 환경인자가 내부로 유입되어 특정 유전자 신호를 감지하면, 로터와 엔진에 코팅된 DNA 가닥이 서로 결합해 엔진의 힘을 로터로 전달하는 ‘클러치’ 역할을 한다. DNA 클러치가 작동하면 엔진에서 발생하는 피코 뉴턴(pN) 2) 의 힘이 로터로 전달되어 나노로봇이 헬리콥터의 프로펠러처럼 회전한다. 자성을 가진 엔진을 사용했기 때문에 인체 외부에서 자력을 이용해 무선으로 로봇 제어가 가능하다. 자기장의 방향에 따라 회전력의 발생 방향을 자유자재로 바꿀 수도 있다. DNA 클러치는 20개의 염기서열로 이루어져 있어 무한대에 가까운(4 20 ≈1조 개) 질병 인자를 감지하도록 프로그래밍할 수 있다. 다시 말해, 무수히 많은 정보를 코딩해 기억 및 연산 기능을 가지는 ‘나노로봇의 지능화’ 가 가능하다는 것을 의미한다. 바이오 나노로봇 분야의 세계적 권위자인 페어 피셔 교수는 본 연구에 대해 “세계에서 가장 진보된 나노로봇이며, 특히 지능형 나노로봇 발전에 있어 퀀텀 점프를 이룬 연구”라고 평했다. 3) 천진우 단장은 “ 정보의 프로그램화가 가능한 클러치가 구현되었다는 것 은 자율주행 자동차처럼 로봇이 스스로 주변을 감지하고 판단 할 수 있다는 의미”라며, “머지않아 진단이나 치료에 활용할 수 있는 자율주행 나노로봇 이 개발될 것”이라고 전망했다. 이번 연구성과는 국제 저명 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 40.523)’ 에 2월 7일 게재됐다. 그림 설명 [그림 1] 클러치 나노로봇 크기를 나타낸 모식도 클러치 나노로봇은 바이러스 크기인 200㎚(나노미터)의 극미세 영역 안에 엔진, 클러치, 로터 등의 기계 장치를 탑재하여 프로펠러의 회전과 같은 기능을 수행함. [그림 2] 클러치 나노로봇구조와 작동원리 클러치는 엔진의 동력을 전달(go) 혹은 차단(stop)하는 로봇의 필수 요소. 클러치 나노로봇은 (1)자성 엔진, (2)구형 로터, (3)DNA 클러치이루어져 있음. 20개의 염기서열로 이루어진 DNA 클러치는 무한대에 가까운(4의 20제곱) 정보를 코딩할 수 있음. [그림 3] 프로펠러 방향 조절이 가능한 클러치 나노로봇 클러치 나노로봇은 다양한 나노 프로펠러와 결합할 수 있음. 자성 엔진을 통해 무선으로 제어할 수 있으며, 프로펠러의 회전 방향을 외부에서 자유자재로 조절할 수 있음. [그림 4] 질병 인자를 감지하여 작동하는 클러치 나노로봇 (상단) 세포와 결합한 클러치 나노로봇의 전자현미경 사진. (하단) 질병 인자가 존재하는 경우 클러치 나노로봇이 힘을 발생하여, 세포의 유전자 활성을 유도함(활성화된 세포는 빨간색 형광 표시). [그림 5] 클러치 나노로봇의 합성 과정 자성 엔진은 다공성 구형 로터 안에 존재하며, DNA 클러치를 코팅하여 나노로봇을 제작함. 1) 200㎚(나노미터): 바이러스 정도의 크기(바이러스 평균 크기는 100~200nm)로 우리 몸속 세포 중 가장 작은 적혈구(10㎛(마이크로미터))의 50분의 1 크기. 2) 피코 뉴턴(pico-newton) : 피코(pico)는 10-12을 나타내는 접두어로서, 피코 뉴턴은 1뉴턴(1N)의 1조분의 1에 해당하는 힘. 생체 신호 조절에 가장 중요한 힘의 영역. 3) “This is one of the most advanced nanorobots in the world and presents a quantum leap in the development of intelligent nanorobots.”, Prof. Peer Fischer(Max Planck Institute for Medical Research) 2024.02.14
  • 폐플라스틱을 수소로 새활용 하는 촉매 개발 폐플라스틱을 수소로 새활용 하는 촉매 개발 폐플라스틱을 수소로 새활용 하는 촉매 개발 - IBS 나노입자 연구단, 시간당 3.7L 수소 생산하는 세계 최고 효율 촉매 합성 - - 폐플라스틱의 98%를 수소로 전환하는 데도 성공 … Nature Materials 誌 게재 - 버려지는 플라스틱의 새활용 길 이 열렸다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단 현택환 단장 (서울대 화학생물공학부 석좌교수)은 이병훈 고려대 KU-KIST 융합대학원 조교수 (前 IBS 나노입자 연구단 연구원), 김민호 경희대 교수팀과 공동으로 단 1g으로 시간당 3.7L의 수소를 생산하는 세계 최고 효율의 촉매를 개발 했다. 이 촉매를 폐플라스틱 광(光) 개질 반응에 적용했을 때, 98%의 플라스틱이 수소로 전환 되는 성능을 보였다. 촉매는 화학산업의 감초 역할을 한다. 백금(Pt)을 비롯한 귀금속계 촉매는 좋은 성능을 내는 감초 중의 감초지만 비싼 가격으로 인해 산업적 규모에 적용했을 때 경제성이 떨어진다. 게다가 반응 조건에 따라 금속 원자들이 구조적으로 불안정해져 성능을 온전히 활용하지 못하는 경우가 많았다. 이에 따라 원자 하나하나가 모두 개별적으로 분산된 원자 분산 촉매가 각광 받고 있다. 모든 백금 원자가 반응에 참여하면 촉매의 활용도가 극대화된다. 즉, 적은 양의 귀금속만 사용해 가격은 저렴해지면서 성능은 좋아진다 . 원자 분산 촉매는 지지체의 표면에 금속 원자를 고정한 형태다. 기존 합성법은 고온‧고압의 조건이나 복잡한 합성과정이 필요하다는 단점이 있었다. 제1저자인 이찬우 IBS 나노입자 연구단 연구원은 “기존에는 금속 원자가 부착될 결합 자리를 만들기 위해 지지체부터 설계‧합성하고, 이후 금속 원자를 고정하는 ‘바텀업 합성법’을 사용해왔다”며 “이 방식은 원자 분산 촉매로 만들 수 있는 금속 원자 및 지지체의 종류가 한정적이라는 단점도 있었다”고 설명했다. IBS 연구진은 별도의 전기에너지나 열에너지 투입 없이 태양 빛만을 이용해 상온에서 원자 분산 촉매를 합성 하는 방법을 개발했다. 연구진은 이산화티타늄(TiO2)처럼 쉽게 구할 수 있는 상용 산화물을 지지체로 활용 했다. 산화물 내부에는 산소가 빠져나가며 생긴 일종의 구멍(산소 결함)이 있다. 연구진은 산화물에 태양 빛을 조사해 내부 산소 결함을 표면으로 이동시켰다. 그리고 표면에 노출된 산소 결함을 금속의 결합 자리로 이용 했다. 바둑판의 교차점에 바둑알을 놓듯, 금속 촉매들을 지지체의 표면에 균일하게 결합 할 수 있었다. 연구진은 빛을 이용해 수소를 발생시키는 반응에서 새롭게 합성한 원자 분산 백금-이산화티타늄 촉매의 성능을 평가 했다. 1g의 촉매를 사용했을 때 1시간에 3.7L의 수소를 발생시키는 세계 최고 효율을 보였다. 이어 플라스틱에서 수소를 생산하는 반응에도 적용했다. 플라스틱을 수산화칼륨(KOH) 용액에 녹인 뒤 촉매를 투입했다. 개발된 촉매는 40시간 동안 98%의 폐플라스틱을 수소로 전환 하는 성능을 나타냈다. 기존 가장 성능이 우수하다고 보고된 촉매보다 10배 이상 높은 성능 이다. 공동 교신저자인 이병훈 조교수는 “태양에너지를 사용해 친환경적으로 고성능 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법 을 제시한 성과”라며 “이 합성법은 여러 종류의 금속 촉매와 산화물에 범용적으로 적용 가능하다는 장점 이 있다”고 말했다. 연구를 이끈 현택환 단장 “사용하는 지지체 및 금속 촉매의 종류에 따라 광촉매, 열촉매 등으로 다양하게 합성할 수 있어 화학산업 비용을 크게 낮출 수 있을 것”이라며 “쉽고 빠르게 촉매를 합성할 수 있는 만큼 산업적 규모로의 확장이 용이할 것 으로 보인다”고 말했다. 연구 결과는 2월 6일 01시(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 41.2)’ 온라인판에 실렸다. 그림 설명 [그림 1] 연구진이 개발한 합성법의 모식도 및 합성한 촉매의 전자 현미경 사진 연구진은 빛 에너지를 통하여 산화물(이산화티타늄, 산화아연, 산화 세륨)의 광화학적 표면 산소 결함 조절하고, 산업적으로 중요한 금속 원자(백금, 이리듐, 구리)를 결합시킬 수 있는 범용적 원자 분산 촉매 합성법을 개발했다. [그림 2] 연구진이 개발한 촉매의 광촉매 반응 성능 연구진이 개발한 합성법을 통해 생산한 원자 분산 백금/이산화티타늄 촉매는 광촉매적 수소 발생 반응에 적용 시 1g의 촉매를 이용하여 시간당 최대 3.7L의 수소를 생산해낼 수 있었으며(왼쪽), 폐페트병 광-개질 반응에 적용 시 최대 98%의 페트병의 수소로의 전환율을 달성할 수 있었다. 2024.02.06
  • ‘자기장’ 이용해 무선으로 파킨슨병 치료한다 ‘자기장’ 이용해 무선으로 파킨슨병 치료한다 ‘자기장’ 이용해 무선으로 파킨슨병 치료한다 - IBS 나노의학 연구단, 나노-자기유전학 기술 적용한 파킨슨병 치료법 개발 - - 균형감각과 운동성 약 2배 이상 향상…반복 치료 시 효과 지속 - 전 세계 천만 명 파킨슨병 환자들에게 희소식이 전해졌다. 두개골에 구멍을 뚫어 뇌 깊숙이 전극을 삽입해야 하는 수술 대신 비침습적이면서 무선으로 뇌 신경세포를 활성화해 파킨슨병 증상을 완화 할 수 있는 새로운 치료법이 제시됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장 (연세대 언더우드 특훈교수)과 곽민석 연구위원 (연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 자기장을 이용해 뇌 심부의 신경세포를 활성화해 파킨슨병의 효과적인 치료가 가능한 ‘나노-자기유전학 기반 뇌심부자극술 (Magneto-mechanical-genetic-driven Deep Brain Stimulation)’ 을 개발 했다. 파킨슨병은 퇴행성 뇌 질환의 일종으로, 운동 조절에 중요한 역할을 하는 도파민 신경세포가 사멸되며 몸의 떨림과 경직, 자세 불안정 등 운동 장애 증상이 나타난다. 현대 고령화 사회에서 환자 수가 급격히 증가하고 있으나 근본적인 치료제는 없다. 약물요법으로 일상생활이 어려운 중증 환자의 경우 증상 완화를 목적으로 외과적 수술인 DBS(뇌심부자극술)를 시도한다. DBS는 뇌 심부에 전극을 심고 흉부 피하에 설치되는 자극 발생기를 통해 뇌에 전기자극을 주는 방식으로, 신경세포 간의 신호를 조절하여 파킨슨병의 증상을 완화할 수 있다. 그러나 외과적 수술을 통해 전극을 뇌 깊숙이 삽입시켜야 하기에 뇌출혈 및 조직 손상과 같은 심각한 부작용이 발생할 수 있다. 또한 전기자극이 가해지는 동안에만 치료 효과가 유지된다는 단점이 있다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 이전 연구에서 개발한 나노-자기유전학 기술을 DBS에 적용 하는 방법을 고안했다. 나노-자기유전학은 자기장을 이용해 뇌의 특정 신경세포를 무선으로 활성화해 뇌 기능을 제어 할 수 있는 기술이다. 우선, 뇌 심부에 자성을 띠는 나노 크기의 입자를 주입한다. 이 자성나노입자는 특정 자기장에 감응해 약 2 pN(피코 뉴턴 1) ) 크기의 힘을 발생시킨다. 자기유전학 장치를 이용해 자기장 자극을 주면 자성나노입자가 특정 신경세포 표면에 붙어서 피에조-1(Piezo-1) 2) 이온 채널을 개방해 신경세포의 활성화를 유도하게 된다. 자기유전학 장치는 MRI 장비와 비슷한 크기(중심 지름 70cm)에서 구동할 수 있어 사람의 뇌 심부까지 비침습적으로 자기장 자극을 전달 할 수 있다. 운동 장애를 가진 파킨슨 쥐에 이 기술을 적용해 자기장 자극을 주었더니 뇌 특정 영역인 시상하핵 (Subthalamic Nucleus, STN) 3) 신경세포가 10배 이상 활성화되었다. 또한, 균형감각과 운동성이 약 2배 이상 향상되어 정상에 가까운 운동 능력 을 보여준 것을 확인했다. 더 나아가, 2주간 매일 반복해서 자극을 받은 파킨슨 쥐는 자극을 중단한 24시간 후에도 회복된 운동 능력이 약 35퍼센트 유지 되었다. 전기자극이 가해지는 동안에만 치료 효과가 유지되는 기존 DBS 방식과는 달리, 나노-자기유전학 기반 DBS는 치료 효과가 지속 됨을 확인한 것이다. 천진우 단장은 “ 나노-자기유전학 을 활용하면 기존 DBS 방식보다 비침습적이고 정밀하게 신경세포를 자극하여 파킨슨병 증상을 완화 하는 치료가 가능함을 보여주었다”라며 “파킨슨병뿐 아니라 뇌전증, 알츠하이머병 등 다양한 신경 질환 연구 및 치료에 활용될 것으로 기대 한다”라고 전했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF 12.262)'에 1월 10일(한국시간) 게재됐다. 그림 설명 [그림1] 나노-자기유전학 기반 DBS(뇌심부자극술) 1. 뇌 특정 지역인 시상하핵(Subthalamic Nucleus) 신경세포에 유전 공학을 통해 발현된 피에조-1 이온 채널에 자성나노입자가 결합한다. 자기장 자극을 가하면 자성나노입자가 토크 힘을 발생시켜 피에조-1 이온 채널을 연다. 이는 칼슘 이온의 유입과 신경세포 활성화로 이어진다. 2. 나노-자기유전학에 사용되는 회전 자기장 생성 장치의 실제 사진 (좌) 및 자기장 시뮬레이션 (우). 넓은 영역에 생성되는 균일한 25 mT 자기장을 회전시켜서 살아 있는 동물의 뇌 속에 주입된 자성나노입자의 회전에 의한 토크 힘 발생을 유도한다. 넓은 영역에서 동물이 물리적 제약 없이 자유롭게 행동하며 자기장 자극을 받을 수 있다. [그림2] 나노-자기유전학을 이용한 DBS의 파킨슨병 운동 장애 치료 효과 1. 나노-자기유전학 DBS에 의한 뇌 심부 시상하핵(Subthalamic Nucleus) 지역의 신경세포 활성화 증가. 자기장 자극에 의해 나노입자가 전달한 힘이 피에조-1을 열고 신경세포의 활동을 증가시켜 핵 내 c-Fos 신호를 증가시킴. 2. 파킨슨 쥐는 운동성 장애가 있어 움직임이 적음. 나노-자기유전학 DBS 치료를 받은 파킨슨 쥐는 정상 쥐와 비슷한 수준의 활발한 움직임을 보임. ▲ 유튜브 보러가기 IBS 홍보팀 김규형 1) 피코 뉴턴(pico-newton) : 피코(pico)는 10-12을 나타내는 접두어로서, 피코 뉴턴은 1뉴턴(1N)의 1조분의 1에 해당하는 힘 2) 피에조-1: 약 1-5 pN 세기의 힘에 감응하여 열림으로써 세포 내부 이온 농도를 조절하는 막 단백질 3) 시상하핵(Subthalamic Nucleus, STN): 대뇌반구와 중뇌 사이에 위치한 핵으로, 운동 제어와 기타 뇌 기능에서 중요한 역할을 하는 부분 2024.02.01
  • 국내 발생 고병원성 조류독감, 인체감염 가능성 있다 국내 발생 고병원성 조류독감, 인체감염 가능성 있다 국내 발생 고병원성 조류독감, 인체감염 가능성 있다 - IBS 한국바이러스기초연구소,‘21년 국내 발생 H5N1 바이러스 유전자 분석 - - 세포·오가노이드 실험에서 바이러스 변이가 인체감염 가능성 높임을 입증 - 조류인플루엔자 (조류독감) 바이러스의 인체감염 우려가 증가 하고 있다. 국내 감염 사례는 아직 없지만, 인접 국가인 중국을 비롯한 해외에서는 사례가 증가하는 추세다. 이러한 상황에서 국내에서 발생했던 조류인플루엔자 바이러스 역시 포유류 및 인체감염 가능성이 있음 이 확인됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 한국바이러스기초연구소 신변종 바이러스 연구센터 최영기 센터장 연구팀 은 2021년 국내에서 발생한 H5N1형 고병원성 조류인플루엔자 바이러스를 분석한 결과, 변이로 인해 포유류 감염 가능성 이 높아진 동시에 병원성도 증가 했다는 사실을 입증했다. 파타고니아의 물범 집단 폐사 등 고병원성 조류인플루엔자 바이러스 감염으로 인한 피해와 더불어 인체감염 가능성에 대한 우려가 유럽, 북미 및 남미 대륙에서부터 점차 확산되고 있다. 우리나라를 포함한 아시아 지역에서는 주로 겨울 철새가 바이러스를 전파한다. 이 과정에서 다양한 재조합을 통해 돌연변이 바이러스가 만들어진다. 일부는 종간장벽을 넘어 인체감염을 일으키기도 한다. 조류인플루엔자 바이러스는 인류에게 20세기에 3차례, 21세기에 1차례의 팬데믹을 일으켰던 바이러스의 일종이기 때문에, 고병원성 바이러스를 추적하고 변이 바이러스 출현 여부 및 인체 감염성을 평가하는 연구는 팬데믹 발생 및 전파에 대비하기 위해 필수적인 연구라고 할 수 있다. IBS 연구진은 2021년 국내 발생한 H5N1형 고병원성 조류인플루엔자 바이러스의 유전자를 분석한 결과, 바이러스가 숙주 세포 수용체에 결합하는 부위인 항원성 돌기 (헤마글루티닌)에 변이가 발생 했음을 발견했다. 연구진은 변이 부위 아미노산만을 치환한 재조합 바이러스를 제작하여 세포 및 동물에서 변이의 영향력을 평가 했다. 기존 바이러스와 변이 바이러스의 세포 수용체 결합력을 비교한 결과, 변이 바이러스는 조류의 수용체뿐만 아니라 표유류의 수용체에도 향상된 결합력 을 나타냈다. 조류, 포유류 및 인체 유래 세포를 이용한 감염 실험에서도 변이 바이러스는 기존 바이러스와 비교하여 인체 유래 세포에 대한 향상된 감염성 을 보였다. 동물실험 시 조류(닭)에서는 기존 바이러스와 비슷한 증식성 및 병원성을 보였으나, 쥐나 페렛 실험에서는 증식성과 병원성이 모두 높아졌다. 페렛에게 기존 바이러스와 변이 바이러스를 동량으로 혼합해 감염시켰을 때, 시간이 지날수록 변이 바이러스가 우세하게 증식했다. 또한, 직접 접촉을 통해 바이러스 전파 가 일어났으며, 전파가 일어난 바이러스는 모두 변이 바이러스임을 확인했다. 이어 연구진은 인체감염 가능성을 평가 했다. 인체 유래 기관지 상피세포 오가노이드에 바이러스를 감염시켜 분석한 결과, 변이 바이러스는 인체 유래 인플루엔자와 비슷한 감염양상 및 증식성 을 보였다. 바이러스에 생긴 변이가 인체감염 가능성을 증가 시켰다는 의미다. 연구를 이끈 최영기 센터장은 “고병원성 조류인플루엔자 바이러스의 수용체 중 특정 아미노산 치환(변이)으로 인해 포유류 및 인체감염 가능성을 향상시킬 수 있는 바이러스로 변화할 수 있으며, 이러한 변이가 아시아 지역에서 점차 증가하고 있음을 실험과 대용량 유전체 정보 분석을 통해 규명 한 성과”라며 “향후 이들 바이러스를 신속 정확하게 진단할 수 있는 진단법 개발 및 인체감염에 대비할 수 있는 백신 개발연구에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다. 연구 결과는 1월 8일 국제학술지 ‘ 신종 미생물 및 감염 (Emerging Microbes & Infections, IF 13.2) 온라인판에 게재됐다. 그림 설명 [그림1] 조류 인플루엔자 바이러스의 숙주 세포 수용체 결합 부위 (A) 2006년부터 국내에서 분리되었던 H5형 조류인플루엔자 분리주들과 2021년도에 분리된 CT/W811(H5N1) 바이러스의 헤마글루티닌 수용체 결합 도메인의 아미노산 비교. (B) 조류인플루엔자 H5형 헤드 도메인 구조는 아미노산 변화에 의해 변경된 HA-193번 부위의 잔기를 표현하며(청보라색=탄소, 빨간색=산소, 파란색=질소), 아스파르트산(D)과 아스파라긴(N)은 각각 노란색과 자홍색으로 강조 표시됨. [그림 2] 두 변이 바이러스의 수용체 결합 선호도 비교 (A) 시알산α2,3 및 α2,6 글리칸에 대한 바이러스의 결합 친화력을 비교하기 위해 CA04(인체유래 인플루엔자), W401/W795(조류유래 인플루엔자) 바이러스를 양성 대조군으로 사용함. HA-193번 부위만을 D또는 N으로 치환한 재조합 바이러스를 비교시 HA-193N 바이러스는 조류형 수용체인 시알산 α2,3에만 결합하는 양상을 보이며, HA-193D 바이러스는 조류형 수용체인 시알산 α2,3 및 인간형 수용체 시알산α2,6 모두에 결합력을 보임. [그림 3] 두 변이 바이러스의 경쟁적 증식 및 전파 (A) HA-193N 및 HA-193D 바이러스를 페렛동물에서의 경쟁적 증식력 비교시험을 위해 동량의 두 바이러스를 페렛에 감염 후 비강 분비물에서의 바이러스 RNA를 qPCR로 정량함. 감염하지 않은 페렛에서도 직접 접촉을 통해 바이러스가 전파되어 바이러스 RNA가 검출됨. (B) HA-193N 및 HA-193D 바이러스를 동량으로 페렛에 감염하였을 때, 감염 후 시간이 지남에 따라 HA-193D 바이러스가 우세적으로 증식하였음. 감염하지 않은 페렛에서는 직접 접촉 후 3일째부터 바이러스 RNA가 검출되었고, 검출된 바이러스는 100% HA-193D 바이러스임이 확인됨. [그림 4] 두 변이 바이러스의 인체 유래 호흡기 세포 감염력 및 증식성 비교 (A) HA-193N 및 HA-193D 바이러스를 인체 기관지 상피세포(HBEpC)의 공기-액체 상호작용(ALI culture) 방식으로 배양한 오가노이드에 감염 후 시알산 α2,3 및 α2,6의 발현에 따른 감염양상(인플루엔자 NP)을 다중표지 형광면역 방법으로 확인함. (B) 바이러스를 감염한 오가노이드에서 RNA scope 방법을 이용하여 바이러스 RNA(빨간색)를 검출하여 감염양상을 비교함. 오가노이드 세포는 바이러스 감염 후 시간이 지남에 따라 사멸하여 Mock 대비 두께가 감소하였음을 확인함(H&E staining). IBS 홍보팀 권예슬 2024.01.31
  • 세포의 ‘식료품 창고’에서 벌어지는 일 실시간 관찰 세포의 ‘식료품 창고’에서 벌어지는 일 실시간 관찰 세포의 ‘식료품 창고’에서 벌어지는 일 실시간 관찰 - IBS, 세포 내 지질 방울에서 중성 지질이 합성되는 과정 실시간 관측 - - 다양한 세포 대사 현상 및 비만 등 질환 진단 치료법 연구 초석 마련 - 우리 몸의 ‘식료품 창고’인 지질 방울 내 물질대사를 실시간으로 관측 할 수 있게 됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 살아있는 세포 내 지질 방울에서 중성 지질이 합성되는 과정을 실시간으로 관측 하는 데 성공했다. 지질 방울은 우리 몸의 세포들이 영양분을 축적하는 작은 세포 기관이다. 식료품 창고에 음식을 축적하듯 영양분을 모아뒀다가 필요할 때 지방 형태로 에너지를 공급한다. 최근 지질 방울이 다양한 세포 소기관과의 상호작용을 통해 지질 독성 조절, 세포 통신 등의 다양한 대사활동을 수행하고 있는 것으로 밝혀지며 역할이 재조명 되고 있다. 지질 방울의 크기와 총량이 비만, 비알코올성 지방간 등 질병과 상관관계 가 있다는 것이 밝혀지기도 했다. 중요성에도 불구하고 그동안 지질 방울 기능 연구에는 한계가 있었다. 기존 연구에서는 형광 현미경을 사용해왔는데, 지질 방울의 주요 내용물인 중성 지질에 특이적이고 효과적인 형광 표지 방법이 없어 중성 지질의 성분과 양을 정확하게 파악하기 어려웠다 . 게다가, 형광 표지에 사용되는 염료는 광표백 현상으로 인해 살아 있는 세포의 지질 방울 대사를 충분히 긴 시간 동안 연구하기도 힘들었다 . IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단은 기존 한계를 넘어, 지질 방울의 대사를 장시간‧실시간 관측하는 데 처음으로 성공 했다. 연구진은 자체 개발한 이중 색상 적외선 광열 현미경 1) 을 이용해 지질 방울의 공간 분포 및 중성 지질 합성 과정을 관측 했다. 이 현미경을 이용하면 특수 고안된 형광 염료를 투입하지 않고도 적외선 레이저를 이용 해 생체 분자들을 선택적으로 정량하고, 추적할 수 있다. 이를 통해 연구진은 세포가 과량의 지방산에 노출되면 발생하는 지질 독성에 의해 세포 내 중성 지질 합성이 촉진 되는 현상을 확인했다. 이어 중성 지질이 합성될 때 나타나는 신호 변화를 바탕으로 개별 지질 방울 속에 존재하는 기존의 중성 지질과 새로 합성된 중성 지질 간의 상대적 비율을 시간에 따라 분석 해냈다. 제1저자인 박찬종 연구원은 “상대적 비율의 시간에 따른 변화를 통해 중성 지질의 합성 속도를 알 수 있다”며 “ 암, 비만 등 많은 질병이 중성 지질 합성 양상 변화를 수반 한다고 알려진 만큼, 우리 연구진이 개발한 중성 지질 대사 관측 방법론은 다양한 질병 진단을 위한 수단 이 될 것으로 기대한다”고 설명했다. 연구를 이끈 조민행 단장은 “세포 내 지질 방울의 기능에 대해 분자 수준에서 연구할 수 있는 새로운 바탕을 마련했다는 의미가 있다”며 “향후 세포 내 지질 방울이 질환에 어떤 역할을 미치는지 연구하여 간 질환을 진단하는 새로운 방법을 제시 해보고자 한다”고 말했다. 연구 결과는 영국 왕립화학회(The Royal Society of Chemistry)가 발행하는 국제학술지 ‘ 케미컬 사이언스 (Chemical Science, IF 9.969)’ 1월호 표지논문 (1월 28일 발간)으로 실렸다. 그림 설명 [그림 1] Chemical Science 1월호 표지 이미지 세포 내 지질 방울에서 다양한 효소들에 의해 지방산이 중성 지질로 합성되는 과정을 표현했다. [그림 2] 이중 색상 적외선 광열 현미경법을 이용한 세포 내 지질 합성 과정 연구 IBS 연구진은 세 개의 광원(두 개의 적외선 여기 광원과 한 개의 가시광선 탐침 광원)을 활용해 세포 시료를 분석하는 과정(좌측)과 이렇게 발생한 탐침 광원의 신호를 분석하여 세포 내 지질 방울의 중성 지질이 시간에 따라 합성되는 것을 관측할 수 있었다(오른쪽 사각형 내부). 1) 이중 색상 적외선 광열 현미경(Two-color infrared photothermal microscopy): 주파수 분할 다중화 방식을 채택하여 동시에 두 개의 다른 적외선 흡수 정보를 획득할 수 있도록 개발된 적외선 분광 현미경. 2024.01.29
  • 오미크론 변이 따라 진화하는 면역세포, 새 변이에도 맞선다 오미크론 변이 따라 진화하는 면역세포, 새 변이에도 맞선다 오미크론 변이 따라 진화하는 면역세포, 새 변이에도 맞선다 - 오미크론 돌파감염으로 형성된 기억-T세포, 이후 등장한 새로운 변이 바이러스에도 강한 면역 - 코로나19 팬데믹이 시작된 지 4년이 지났다. 여전히 코로나19 바이러스는 없어지지 않고 계속해서 새로운 변이주가 나타나고 있으며, 백신 접종에도 불구하고 변이 바이러스에 의해 돌파감염(백신 접종 후 감염)을 겪는 사례가 많다. 이렇게 끝없이 출현하는 변이 바이러스에 맞서 우리 신체의 면역반응도 변화하고 있다는 연구 결과가 나왔다. 오미크론에 의한 돌파감염을 겪으면 미래의 새로운 변이 바이러스에 대한 면역까지 얻을 수 있다는 것이다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 한국바이러스기초연구소 바이러스 면역 연구센터 신의철 센터장 (KAIST 의과학대학원 교수) 연구팀은 오미크론 돌파감염 시 형성된 기억-T세포 1) 가 새로운 오미크론 변이주에도 강한 면역반응 을 보이는 사실을 밝혔다. 2021년 말에 출현한 오미크론 변이주는 강한 전파력 때문에 신속히 우세종이 되어 2022년 세계 각지에서 대유행했다. 그 후에도 계속 새로운 오미크론 변이주가 출현하고 있는데, 2022년 초 나타난 BA.1, BA.2를 시작으로 BA.4/BA.5, BQ.1, XBB 계열, 최근에는 JN.1이라는 변이주가 유행하고 있다. 이 때문에 돌파감염과 재감염이 빈번하게 일어난다. 바이러스에 감염되거나 백신을 접종받으면 해당 바이러스에 대한 중화항체와 기억-T세포가 형성된다. 중화항체는 숙주 세포가 바이러스에 감염되는 것을 막을 수 있다. 반면, 기억-T세포는 감염 자체를 예방할 수는 없지만 감염된 숙주 세포를 재빨리 찾아 제거해 줌으로써 바이러스 감염이 중증으로 진행하는 것을 막아준다. 연구진은 “백신을 맞은 후 오미크론 돌파감염을 겪으면 우리 몸의 면역계는 어떤 변화를 겪게 되는가?” 라는 질문에 답하기 위해 오미크론 감염으로 형성된 기억-T세포에 주목 했다. 오미크론 변이주에 대한 기존 면역연구는 대부분 백신 효능에 관한 것이거나 중화항체에 초점을 두고 진행된 것으로, 기억-T세포 관련 연구는 상대적으로 적은 상황이었다. 연구진은 2022년 초에 BA.2 오미크론 돌파감염을 겪은 회복자를 대상으로, 코로나19 오리지널 바이러스 (초기 유행한 코로나19 우한주) 와 BA.2, BA4/BA.5 등 다양한 오미크론 변이주의 스파이크 단백질에 반응하는 기억-T세포를 관찰 했다. 이를 위해 대상자의 말초혈액에서 면역세포를 분리한 후, 각 스파이크 단백질에 반응해 항바이러스 사이토카인 (면역세포가 분비하는 면역물질) 을 생성하는 기억-T세포를 비교·분석 했다. 그 결과, BA.2 오미크론 돌파감염을 겪으면 BA.2 뿐만 아니라 그 이후에 출현한 BA.4/BA.5 변이 바이러스에 대한 기억-T세포 반응도 더불어 강화 된 것을 확인했다. 오미크론 돌파감염을 겪음으로써 미래에 새롭게 출현한 변이 바이러스에 대한 면역까지 증강된 것 이다. 또한 연구진은 이러한 기억-T세포 면역 강화의 원인이 되는 스파이크 단백질의 특정 부위를 찾아냈다. 이번 연구 결과는 오미크론 돌파감염을 경험하면 추후 새롭게 출현하는 변이 바이러스에 감염되더라도 중증 코로나로 진행되지 않을 것 을 의미한다. 이번 연구를 이끈 정민경 연구위원은 “엔데믹 시대를 지나는 우리에게 많은 시사점을 준다” 라며, “지속적인 오미크론 변이주의 출현에 맞서 사람들의 면역도 점차 적응해, 가까운 미래에 나타날 변이주까지 방어하는 면역력을 얻을 것 으로 이해할 수 있다”라고 말했다. 신의철 센터장은 “백신 개발 시 현재 유행하는 우세 변이주와 변이가 진행되는 계통 간의 유사성을 찾는 방향 으로 접근한다면, 그다음 변이주에 대해서도 기억-T세포 방어력을 보이게 될 가능성이 클 것 ”이라고 설명했다. 연세대 세브란스병원 최준용 교수, 고려대 구로병원 송준영 교수, 노지윤 교수, 성균관대 삼성서울병원 고재훈 교수 등 여러 대학병원 감염내과 연구진과 공동으로 밝혀낸 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 이뮤놀로지 (Science Immunology, IF 30.658)’에 1월 20일 (한국시간) 게재 됐다. 그림 설명 [그림1] 중화항체와 기억-T세포의 항바이러스 면역 기능 바이러스에 감염되거나 백신을 접종받으면 중화항체와 기억-T세포가 형성되어 항바이러스 면역 기능을 한다. 중화항체는 세포가 바이러스에 감염되는 과정 자체를 막아줄 수 있다. 반면, 기억-T세포는 바이러스 감염 자체를 예방하지는 못하지만, 바이러스에 감염된 세포를 선택적으로 제거해 더 이상의 바이러스 증식을 막는다. 이에 따라 바이러스 감염이 중증으로 진행하는 것을 막아준다. [그림2] 오미크론 돌파감염으로 형성된 기억-T세포의 새로운 변이주에 대한 면역반응 BA.2 오미크론 돌파감염으로 새롭게 형성된 기억-T세포는 BA.2 뿐만 아니라 그 이후에 출현한 BA.4/BA.5, XBB 계열 등 새로운 변이 바이러스에 대해서도 강한 면역반응을 나타냄을 확인했다. 오미크론 돌파감염을 겪음으로써 미래에 새롭게 출현한 변이 바이러스에 대한 면역까지 증강된 것이다. 이는 오미크론 돌파감염을 경험하면 추후 새롭게 출현하는 변이 바이러스에 감염되더라도 중증 코로나로 진행되지 않을 것을 시사한다. 1) 기억 T세포: 기억 T세포는 한번 경험한 바이러스 항원을 기억하고 있다가 우리 몸에 바이러스가 재침입하면 그 즉시 반응하는 특성이 있다. 기억 T세포 중 특히 세포살상 T세포는 바이러스에 감염된 세포를 선택적으로 제거해 더 이상의 바이러스 증식을 막아주어 바이러스 감염이 중증으로 진행하는 것을 막아주는 역할을 한다. 2024.01.22
  • 항암 효과 낮추는‘세포 간 이질성’극복 전략 찾았다 항암 효과 낮추는‘세포 간 이질성’극복 전략 찾았다 항암 효과 낮추는‘세포 간 이질성’극복 전략 찾았다 - IBS 의생명 수학 그룹, 세포 신호 전달 체계 추정하는 AI 개발 - - 신호 전달 체계 경로 다양할수록 세포 간 이질성이 감소함을 확인 - 효과가 높은 신약 및 치료법 개발을 위한 단서 가 제시됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 수리 및 계산 과학 연구단 의생명 수학 그룹 김재경 CI (Chief Investigator, KAIST 수리과학과 교수) 연구팀은 인공지능(AI)을 이용해 동일 외부 자극에 개별 세포마다 반응하는 정도가 다른 ‘세포 간 이질성’의 근본적인 원인 을 찾아내고, 이질성을 최소화할 수 있는 전략을 제시 했다. 우리 몸속 세포는 약물, 삼투압 변화 등 다양한 외부 자극에 반응하는 신호 전달 체계(signaling pathway)가 있다. 신호 전달 체계는 세포가 외부 환경과 상호작용하며 생존하는 데 핵심적인 역할을 한다. 세포의 신호 전달 체계는 노벨생리의학상의 단골 주제 1) 일 정도로 중요하지만, 규명을 위해서는 수십 년에 걸친 연구가 필요하다. 신호 전달 체계는 세포 간 이질성에도 영향 을 미친다. 세포 간 이질성은 똑같은 유전자를 가진 세포들이 동일 외부 자극에 다르게 반응하는 정도를 뜻한다. 하지만 복잡한 신호 전달 체계의 전 과정을 직접 관측하는 일이 현재 기술로는 어렵기 때문에 지금까지는 신호 전달 체계와 세포 간 이질성의 명확한 연결고리를 알지 못했다. 세포 간 이질성은 질병 치료에 있어 더욱 중요한 고려 요소 다. 가령, 항암제를 투여했을 때 세포 간 이질성으로 인해 일부 암세포만 사멸되고, 일부는 살아남는다면 완치가 되지 않는다. 세포 간 이질성의 근본적인 원인을 찾고, 이질성을 최소화할 수 있는 전략을 도출해야 치료 효과를 높인 신약 설계가 가능 해진다. 제1저자인 홍혁표 IBS 전(前) 학생연수원(現 미국 위스콘신 메디슨대 방문조교수)은 “우리 연구진은 선행 연구(Science Advances, 2022)에서 세포 내 신호 전달 체계를 묘사한 수리 모델을 개발한 바 있다”며 “당시엔 신호 전달 체계의 중간 과정이 한 개의 경로만 있다고 가정해 얻을 수 있는 정보도 한계가 있었지만, 이번 연구에서는 AI를 활용해 중간 과정의 비밀까지 풀어냈다”고 말했다. 연구진은 기계 학습 방법론 인 ‘ Density-PINNs (Density Physics-Informed Neural Networks)’를 개발해 신호 전달 체계와 세포 간 이질성의 연결고리 를 찾았다. 세포가 외부 자극에 노출되면 신호 전달 체계를 거쳐 반응 단백질이 생성된다. 시간에 따라 축적된 반응 단백질의 양을 이용하면 신호 전달 소요 시간의 분포를 추론할 수 있다. 이 분포는 신호 전달 체계가 몇 개의 경로로 구성됐는지를 알려준다. 즉, Density-PINNs를 이용하면 쉽게 관측할 수 있는 반응 단백질의 시계열 데이터로부터 직접 관찰하기 어려운 신호 전달 체계에 대한 정보를 추정 할 수 있다는 의미다. 이어 연구진은 실제 대장균의 항생제에 대한 반응 실험 데이터에 Density-PINNs를 적용하여 세포 간 이질성의 원인도 찾았다. 신호 전달 체계 가 단일 경로로 이뤄진 때(직렬)에 비해 여러 경로로 이뤄졌을 때(병렬)가 세포 간 이질성이 적다 는 것을 알아냈다. 제1저자인 조현태 IBS 선임연구원은 “추가 연구가 필요하지만, 신호 전달 체계가 병렬 구조일 경우 극단적인 신호가 서로 상쇄되어서 세포 간 이질성이 적어지는 것으로 보인다”며 “신호 전달 체계가 병렬 구조를 보이도록 약물이나 화학 요법 치료 전략을 세우면 치료 효과를 높일 수 있다는 의미” 라고 설명했다. 연구를 이끈 김재경 CI는 “복잡한 세포 신호 전달 체계의 전 과정을 파악하려면 수십 년의 연구가 필요하지만, 우리 연구진이 제시한 방법론은 수 시간 내에 치료에 필요한 핵심 정보만 알아내 치료에 활용 할 수 있다”며 “이번 연구를 실제 현장에서 사용되는 약물에 적용하여 치료 효과를 개선할 수 있기를 기대한다”고 말했다. 연구 결과는 지난해 12월 26일 국제학술지 셀(Cell)의 자매지인 ‘ 패턴스 (Patterns)’에 실렸다. 그림 설명 [그림 1] 기계학습방법론(Density-PINNs)을 통한 세포 간 이질성 원인 규명 세포가 항생제 스트레스에 노출되면, 신호 전달 경로를 통해 반응 단백질이 생산된다. Density-PINNs는 축적된 반응 단백질의 시계열 자료를 이용하여 신호 전달 시간 지연 분포를 추론하며, 이 분포의 모양은 신호 전달 체계의 구조에 대한 정보를 준다(위). 이를 통해 병렬 구조를 갖는 세포 신호 전달 체계가 항생제에 대한 반응의 세포 간 이질성을 크게 감소시킨다는 사실을 규명했다(아래). 1) 일례로 2019년 노벨생리의학상은 세포가 산소 공급 환경에 따라 어떻게 반응하는지를 즉, 산소에 대한 세포의 신호 전달 체계를 분자 수준에서 규명한 연구자들에게 수여됐다. IBS 홍보팀 권예슬 2024.01.17