마이크로 크기의 융합물방울에서는 생화학 반응이 천배 빨라진다

- “찰나에 발생하는 단백질의 빠른 움직임 분석하는 기법 개발”-

□ 미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 식물노화․수명연구단(단장 남홍길, DGIST New Biology 전공 Fellow 교수)이 마이크로미터(㎛, 백만분의 일 미터) 크기의 작은 물방울 끼리 충돌시켜 얻은 ‘융합 물방울’ 안에서 단백질과 펩티드의 반응을 수 마이크로초의 초고속으로 관찰할 수 있는 새로운 질량 분석법1)을 개발했다.

※ 질량 분석법 (Mass Spectrometry): 물질을 이온화하여 질량 대 전하 비에 따라 분리하여 측정함으로써 시료 물질의 원소 조성, 분자의 구조, 동위 원소의 비 등을 알아내는 측정 방법

  o 연구팀은 단백질이 들어있는 물방울(A)과 산성 용액이 든 물방울(B)을 빠른 속도로 충돌시켜 이른바 융합물방울(A-B)을 만들어냈다. 융합물방울 속에서 단백질은 산성용액과 만나 화학반응(단백질 펼쳐짐 현상)을 일으키는데 이때 융합물방울이 이동하는 거리를 조절하며 생화학 반응을 초고속으로 관찰하는 방법을 개발한 것이다. (그림1 참조)

  o 이를 통해 기존의 방법으로는 관측하기 어려웠던 단백질의 구조가 펼쳐(unfolding)2)지면서 초고속으로 발생하는 수소와 중수소의 교환 현상(hydrogen/deuterium exchange)3)이 진행되는 반응 역학을 분석하는 데 성공했다.

o 더 나아가, 마이크로미터 크기의 작은 물방울에서 생화학 반응 속도가 기존 큰 용량의 반응용액에서 측정한 결과에 비해 약 1,000배 정도 빨라진다는 것을 발견하였다.

 □ 수 마이크로초 대의 초고속 분자 반응 역학을 질량 분석기법으로 측정할 수 있게 되면서 실제 세포 내에서의 반응에 가까운 현상을 관찰할 수 있을 것으로 기대된다.

  o 연구진이 개발한 질량 분석법은 작은 세포 내 단백질의 반응을 비롯한 생명현상을 실제에 가깝게 연구할 수 있기 때문에 세포생물학의 기본적인 이해에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.

 o  또한 생명현상 원리에 대한 새로운 단서를 찾는데 기여하고 신약 후보 물질의 빠른 검증으로 신약 개발 분야에 일조할 것으로 기대된다. 

 □ 이번 연구 결과는 세계적 권위지인 미국학술원회보(PNAS, IF 9.809)4) 3월 16일자 온라인판에 게재됐으며, 리차드 제어(Richard N. Zare) 미국 스탠포드대학교 박사를 비롯한 연구팀과 공동연구를 진행했다.

* (논문제목) 빠른 반응 역학 관찰을 위한 마이크로 물방울 융합 질량 분석법

(Microdroplet fusion mass spectrometry for fast reaction kinetics)

* (제1저자) 이재규 IBS 식물노화·수명연구단 연구위원, 스탠포드 대학교 박사후과정

* (공동 교신저자) 남홍길 IBS 식물노화·수명연구단 단장(DGIST New Biology 전공 Fellow 교수)

□ 남홍길 IBS 식물노화·수명연구단 단장은 “이번 연구는 생화학 반응 역학을 관찰하는 새로운 방법을 제공함으로써 기존 방법으로는 보기 어려웠던 초고속의 단백질 활동을 알아내는 것에 기여할 것”이며 “실제 세포 내에서 어떤 일이 일어나고 있는지 알아내어 이른바 마이크로 물방울 생물학 분야를 새롭게 열 것으로 기대한다.”고 전했다.