갑상선은 갑상선호르몬을 만드는 내분비기관이다. 체내 영양분을 에너지로 변환시키는 갑상선호르몬은 체온유지와 호흡, 장기 운동에 관여한다. 요오드가 체내에서 음이온인 요오드화물로 변하고 나트륨/요오드화물 수송체(Sodium Iodide Symporters, NIS)를 통해 갑상선 세포로 들어가면 갑상선호르몬이 만들어진다.

NIS는 크게 통로와 운반자로 나뉘는데, 이들이 오작동해 세포막 안으로 요오드화물이 과도하거나 부족하게 들어가면 각종 대사성 질환이 발병한다. 많이 먹어도 살이 빠지거나¹⁾, 조금만 먹어도 살이 찌는²⁾ 증세가 대표적이다.

미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문) 연구진은 세포막 간 요오드화물의 선택적 수송이 가능한 음이온 통로를 인공 합성해 대사성 질환의 근본적인 치료 가능성을 제시했다. 이를 발전시키면 갑상선 관련 질환 뿐 아니라, 음이온 수송과 관계된 악성 종양 등의 질병 치료까지 광범위하게 적용할 수 있다.

그동안 이온통로 연구는 체내에 상대적으로 풍부한 염화물의 선택적 수송에 초점이 맞춰졌었다. 이번 연구 성과로 음이온 전반에 대한 통로 연구가 활발해 질 것으로 보인다.

연구진은 자기조립 분자를 활용했다. 포피린으로 만든 '유기 분자 케이지(PB-1A)'³⁾는 생체적합도가 높으면서 안정적이고, 26면 다면체로 구조적으로도 튼튼하다. 게다가 수용액 내에서 높은 화학적 안정성을 가진다. 세포막의 주성분인 소수성 지질 내에 자연스럽게 들어가며, 안정한 구조를 유지한다. 특히 최근 학계에 보고된 염화물대비 요오드화물 수송 인공통로에 비해 약 100% 향상된 수송 능력을 갖는다.

이전의 유기 분자 케이지는 수용액 상에서 그 자체가 분해되는 한계를 보였다. 또한, 케이지 내부가 비어있으면 구조적으로 불안정해져, 내부 빈 공간의 크기가 현저히 줄어드는 치명적인 단점이 있어 이온통로로 활용이 불가능했다.

김기문 IBS 복잡계 자기조립 연구단 연구단장은 "이번 결과는 구조적으로 안정한 유기 분자 케이지를 합성해 생물학적 음이온통로로 활용한 최초의 성과"라며 "현재는 빛과 같은 외부 자극으로 이온 수송 조절이 가능한 인공 이온통로를 연구 중에 있다"고 밝혔다.

본 연구결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF 13.038) 온라인판에 5월 24일 게재되었다.

▲ [그림 1] 유기 분자 케이지(PB-1A)의 X-ray 결정 기본 구조. 왼쪽의 황색 구형은 빈 공간(cavity)을 나타낸다. 유기 분자 케이지는 다면체 구조로 12개의 분자 창으로 이루어진다.

▲ [그림 2] PB-1A를 이용한 세포막 간 요오드화물 수송 형광실험 개요도 및 사진 황색 형광 단백질(YFP) 발현 세포에 PB-1A를 넣은 후 60분이 지난 왼쪽 2개의 그림 및 사진을 보자. YFP 발현이 계속 되는 것으로 보아 PB-1A가 세포에 독성이 없고, YFP 발현에 관여 하지 않음을 알 수 있다. PB1-A를 세포막에 삽입하고 요오드화나트륨(NaI)을 처리한 지 10분 만에 형광이 현저히 줄어들었음을 3번째 사진으로 알 수 있다. 요오드화물이 PB-1A를 통해 세포 안으로 전달된 것이다. 이후 NaI 용액을 제거하기 시작한 30분 뒤, 형광이 다시 나타나는 현상으로부터 요오드화물이 PB-1A를 통해 세포 밖으로 농도 차 확산했음을 알 수 있다.