기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문)은 세포나 세포 소기관의 특정 단백질을 자유롭게 형광 염색할 수 있는 기술을 개발했다. 이러한 단백질 염색 기술은 생체와 같은 복잡한 환경에서 특정 단백질의 기능을 보다 명확히 이해하는 데 중요하게 활용될 것으로 기대된다.

세포 내 단백질은 종류와 수가 매우 많은데, 세포 내․외부의 자극이나 환경에 따라 고유의 기능을 조절하며 세포의 생존에 관여한다. 특정 단백질의 고유한 기능과 역할을 이해하기 위해서는 원하는 단백질만을 선택적으로 염색해 관찰할 수 있어야 한다. 기존에는 스트렙타비딘과 바이오틴의 분자 결합쌍¹⁾을 이용해 단백질을 염색했는데, 스트렙타비딘 역시 단백질인 탓에 염색하고자 하는 단백질과 혼동돼 정밀한 염색에 한계가 있었다.

이에 따라 IBS 복잡계 자기조립 연구단(김기문 단장)은 강력한 형광 분자 결합쌍인 쿠커비투릴(Cucurbit[7]uril-Cyanine 3, CB[7]-Cy3) 분자와 아다만탄(Adamantane, Ad) 분자의 강력한 특이적 결합²⁾원리를 이용해 세포핵, 세포질, 세포 표면, 세포내 특정 소기관 등 세포를 영역별로 나누어 해당 영역의 단백질만을 형광으로 염색하는 데 성공했다.

쿠커비투릴은 속이 빈 호박 모양의 인공 합성 분자로, 아다만탄이라는 분자와 주인-손님 상호작용(쿠커비투릴 : 주인분자 / 아다만탄 : 손님분자) 이라 불리는 강력한 결합을 한다. 이러한 결합력을 바탕으로 염색하고자 하는 단백질에 아다만탄을 먼저 붙이고 형광분자가 붙은 쿠커비투릴을 세포에 도포하면, 쿠커비투릴이 아다만탄을 인지해 결합한다. 결과적으로 염색하고자 하는 단백질은 쿠커비투릴에 붙어 있던 형광 분자로 인해 형광을 띠게 된다.

쿠커비투릴-아다만탄은 분자의 크기가 단백질보다 훨씬 작으며, 생체 내 다른 분자와의 상호작용도 미미해 이들을 이용하면 특정 단백질을 보다 정확하게 염색할 수 있다. 연구진은 이들 분자 결합쌍으로 여러 종류의 세포내 단백질을 염색한 결과, 세포 내에서 염색을 원하는 특정 단백질 혹은 특정 세포내 소기관 에 존재하는 단백질들만 선택적으로 염색하는 데 성공했다.

연구팀은 더 나아가 동물 모델의 세포 이미징에도 쿠커비투릴-아다만탄 분자 결합쌍을 활용했다. 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans, C. elegans)을 대상으로 이들의 표면에 존재하는 단백질에만 아다만탄을 붙이고, 형광분자가 붙은 쿠커비투릴을 도포한 결과, 예쁜꼬마선충의 표면만 모두 형광을 띠는 것을 확인했다.

동물 수준에서 세포 단백질을 형광 분자 결합쌍으로 염색한 것은 이번이 처음이다. 향후 다양한 동물 모델을 대상으로 하는 형광 이미징 연구에 기여할 것으로 기대된다. 연구를 주도한 박경민 연구위원(팀리더)은 “질병과 관련된 단백질을 보다 정확히 이미징하여 질병 기작을 이해하는데 도움을 줄 뿐 아니라 질병을 진단하는 기술로도 확장할 수 있으며, 더 나아가 그 치료법을 개발하는 데도 유용할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.124, DOI: 10.1038/s41467-018-04161-4)에 미국 동부시간으로 4월 27일자에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 초강력 인공 결합쌍을 이용한 특정 단백질 형광 이미징 기술 모식도염색하고자 하는 단백질에 아다만탄을 먼저 붙이고 형광분자가 붙은 쿠커비투릴을 세포에 도포하면, 쿠커비투릴이 아다만탄을 인지해 스스로 결합한다. 결과적으로 염색하고자 하는 단백질은 쿠커비투릴에 연결된 형광 분자로 인해 형광을 띠게 된다. 연구진은 세포 수준과 동물 수준에서 단백질 형광 이미징에 모두 성공했다. 세포 수준에서는 세포핵, 세포질, 세포내 소기관, 세포 표면 등 영역을 나누어 각각 염색했다. 그림의 a)는 고배율 형광 공초점 현미경을 이용해 세포내 소기관에 있는 단백질만 형광 염색된 모습을 확인한 것이다(빨간색: 세포내 소기관에 있는 단백질만 선택적으로 염색된 부분 / 파란색 : 세포핵). 동물 모델은 예쁜꼬마선충을 대상으로 쿠커비투릴-아다만탄 결합쌍을 이용해 선충의 표면에만 존재하는 단백질을 형광 염색했다. 그 결과 그림의 b)처럼 표면에만 빨간색으로 형광 염색된 것을 확인할 수 있다.