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개인 맞춤형 정밀 의학 정확도 높일 ‘렌즈’개발
개인 맞춤형 정밀 의학 정확도 높일 ‘렌즈’개발
- IBS 의생명 수학 그룹, 기존 단일세포 전사체 분석의 부정확한 근본 원인 규명 -
- 전사체 빅데이터에서 유용한 생물학적 신호 찾는 데이터 분석 도구 ‘scLENS’개발 -
평균이 아닌 개인차를 고려하는 정밀 의학 시대가 열렸다. 사람마다 다른 유전적 특징을 알아내는 기술이 비약적으로 발전한 덕분이다. 더 빠르고, 정확하게 전사체를 해독할 수 있는 새로운 도구가 개발 됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 수리 및 계산 과학 연구단 의생명 수학 그룹 김재경 CI (Chief Investigator․KAIST 수리과학과 교수) 연구팀은 전사체 분석 빅데이터에서 유용한 생물학적 정보만 골라내는 새로운 도구인 ‘scLENS (single-cell Low-dimension Embedding using Effective Noise Subtraction) ’를 개발 했다.
단일세포 전사체 분석은 최근 생물학, 신약 개발, 임상 연구 등 여러 분야에서 주목받는 도구다. 개별 세포 단위에서 유전적 변화를 확인 할 수 있기 때문이다. 가령, 단일세포 전사체 분석을 이용하면 암 조직 내 수십 가지 종류의 세포를 구분하고, 유전적 변이가 발생한 세포만 표적하는 정밀 치료가 가능해진다.
단일세포 전사체 분석 기술이 임상에 광범위하게 이용되려면, 도출되는 빅데이터에서 유용한 생물학적 신호를 찾아내는 효율적인 분석 도구 개발 이 선행돼야 한다. 단일세포 전사체 분석은 수백~수천 개에 이르는 개별 세포의 수만 개에 이르는 다양한 유전자 발현량을 측정하기 때문에 데이터 용량이 수~수십 GB에 달한다. 이 방대한 데이터 중 생물학적으로 유용한 신호는 3% 내외에 불과하다.
이 방대하고 노이즈(잡신호)가 많은 데이터에서 유용한 생물학적 신호를 골라내기 위해 지금까지 여러 데이터 처리 도구가 개발됐다. 하지만 기존 도구는 사용자가 생물학적 신호와 노이즈의 ‘경계선’을 직접 설정해야 해서 주관이 개입 됐다. 즉, 분석가에 따라 결과가 크게 달라지고, 정확도가 떨어진다는 한계가 있었다.
우선, 연구진은 기존 분석 도구들이 부정확한 근본적인 원인을 규명하고 해결책을 제시 했다. 사용자가 노이즈의 임계값을 결정하는 데이터 전처리 방식 자체가 생물학적 신호를 왜곡시킨다는 것을 규명하고, 왜곡 없는 새로운 전처리 방식을 개발했다. 나아가 연구진은 수학적 방법론인 ‘랜덤 행렬 이론 1) ’을 이용 해 사용자의 주관적 선택 없이 자동으로 단일세포 전사체 분석 데이터에서 신호와 노이즈를 구별하는 프로그램인 ‘scLENS’를 개발 했다.
제1저자인 김현 연구원은 “scLENS는 사용자의 선택 없이 데이터에 내재된 구조만을 이용해 자동으로 신호와 노이즈를 구별하기 때문에 사용자 편향성 문제를 원천 차단 할 수 있다”며 “ 연구자들의 노동집약적인 신호 선택 과정을 없애면서도 분석 정확성은 높였다 ”고 설명했다.
이어 연구진은 기존 개발된 11가지 데이터 분석 프로그램과 scLENS의 상대적 성능을 비교 했다. 이를 통해 scLENS가 다른 모든 프로그램보다 우수한 성능 을 보인다는 점을 확인할 수 있었다. 널리 쓰이는 프로그램인 ‘Seurat’과 비교했을 때 scLENS는 세포 그룹화 성능이 약 10% 이상 우수하며, 데이터에 내재된 국소 구조를 43% 더 효과적으로 포착하는 것으로 나타났다.
특히, scLENS는 기존 프로그램보다 많은 계산을 하지만 메모리 사용 최적화를 통해 10만 개의 세포와 2만 개의 유전자로 이뤄진 대규모 데이터를 3시간 만에 분석하는 경쟁력 있는 분석 속도 를 보였다.
연구를 이끈 김재경 CI는 “지난 십여 년간 단일세포 전사체를 분석할 수 있는 실험 기술의 비약적인 발전했지만, 데이터 분석 방법의 한계로 인해 큰 비용과 시간을 투자해 얻은 데이터를 최대한 활용하지 못하는 경우가 많았다 ”며 “기초 수학 이론이 생명과학 연구의 혁신을 견인하고, 감춰졌던 생명의 비밀을 빠르고 정확하게 밝히는 데 쓰일 수 있음을 보여주는 연구”라고 말했다.
연구결과는 4월 27일(한국시간) 국제학술지 ‘ 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 16.6)’ 온라인판에 실렸다.
그림 설명
[그림 1] scLENS 개요.
(왼쪽) 기존의 단일세포 전사체 분석 방법은 로그 정규화를 이용해 데이터 전처리를 하고 전처리된 데이터로 부터 사용자가 직접 임계값을 설정하여 신호와 노이즈를 구별해야한다. 이 과정에서 신호 왜곡이 발생하여 분석결과가 부정확해짐을 이번 연구에서 밝혀내었다.
(오른쪽) 연구진은 기존 로그 정규화에 L2 정규화를 통합하면 전처리 과정에서 신호 왜곡을 방지할 수 있음을 밝혔다. 나아가 랜덤 행렬 이론을 이용하여 사용자의 선택 없이 데이터에만 기반하여 신호와 노이즈를 구별하는 임계값을 설정하는 방법을 개발하였다. 덕분에 scLENS는 정확하고 자동화된 데이터 분석이 가능하다.
[그림 2] scLENS 성능
a. scLENS는 11개의 다른 분석 도구들과 비교했을 때, 가장 높은 실루엣 스코어(파란색 막대)를 기록하였다. 이는 scLENS가 실제 세포 유형(true cell-type)을 가장 잘 반영하는 차원 축소 결과(임베딩)를 생성한다는 것을 의미한다. 더 나아가, 이 차원 축소 결과에 계층적 클러스터링(초록색 막대)과 그래프 기반 클러스터링(주황색 막대)을 적용하여 레이블을 얻었을 때, 실제 세포 유형과의 유사도가 다른 분석 도구들에 비해 가장 높게 나타났다.
b. scLENS는 타 분석 도구들에 비해 원래 데이터로부터 얻은 k-최근접 이웃 구조와 가장 유사한 구조를 다운 샘플링된 데이터로부터 얻어낼 수 있음을 가장 높은 k-최근접 이웃 중첩 점수(kNN-overlap score)를 기록함으로써 입증했다.
1) 랜덤 행렬 이론(Random Matrix Theory) : 복잡한 시스템에서 나타나는 대규모 데이터의 통계적 성질을 분석하는 수학적 방법론. 대규모 데이터 집합 내 잡음과 신호를 구분하는 유용한 도구로, 신호가 노이즈에 가려진 상황에서도 중요한 패턴이나 구조를 식별할 수 있다.
2024.05.09
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자폐스펙트럼장애, 일상의 작은 자극에도 괴로운 이유 찾았다
자폐스펙트럼장애, 일상의 작은 자극에도 괴로운 이유 찾았다
- IBS 연구진, 자폐스펙트럼장애에 나타나는 감각 과민의 뇌신경 기전 규명 -
- 뇌 특정 영역 신경세포 억제해 감각 과민 치료 가능성 제시 -
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 시냅스 뇌질환 연구단 김은준 단장 (KAIST 생명과학과 석좌교수) 및 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장 (성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 자폐모델 생쥐를 이용해 자폐스펙트럼장애 환자에서 나타나는 감각 과민이 대뇌피질의 특정 부위에서 발생하는 과도한 신경전달과 네트워크 연결성의 증가가 주요 원인 임을 밝혔다.
자폐스펙트럼장애(Autism spectrum disorders)는 36명당 1명꼴로 나타나는 뇌 발달 장애로, 사회적 상호작용 및 의사소통 결여, 반복 행동 등을 보인다. 자폐스펙트럼장애의 또 다른 주요 증상으로 감각 이상 이 있다. 감각이 과민하거나 둔감해질 수 있는데, 감각 과민의 경우 일상적인 환경의 소리, 빛, 촉각 등에 과도하게 반응 하게 만들어 환자에게 상당한 스트레스를 주고 삶의 질을 현저히 떨어뜨린다. 환자의 약 90%에서 관찰될 정도로 흔하지만, 감각 과민의 원인과 메커니즘은 명확히 알려지지 않았다.
연구진은 먼저 시냅스 유전자의 하나인 ‘Grin2b’ 유전자가 결손된 자폐모델 생쥐에서 자폐와 유사한 감각 과민이 나타나는 것을 확인 했다. Grin2b 결손은 자폐스펙트럼장애뿐만 아니라 발달 지연, 강박 장애 등 다양한 뇌질환과 관련이 있다고 알려져 있다. 연구진이 Grin2b 결손 자폐모델 생쥐에 기계적・전기적 자극 및 열 자극을 가해 반응을 분석한 결과 자폐모델 생쥐는 대조군에 비교해 감각 자극에 대한 회피성이 높아지고 과민 했다.
다음으로 감각 자극에 비정상적으로 과민하게 반응하는 뇌 영역을 확인하기 위해 특정 자극에 대한 뇌의 반응을 시각화할 수 있는 c-fos 이미징 1) 분석 을 실시했다. 이어 기능적 자기공명영상 (Functional magnetic resonance imaging, fMRI) 2) 으로 신경 활동을 실시간으로 모니터링해 뇌 영역 간 연결성을 분석 했다.
그 결과, 여러 뇌 영역 중 특히 고차원 인지 기능과 관련 있는 전측 대상회피질 (Anterior cingulate cortex, ACC)이 과도하게 활성화되는 것을 발견 했다. 그리고 전측 대상회피질의 과활성으로 신경세포에서 흥분성 신경전달이 증가 되었으며, 전측 대상회피질과 다른 뇌 영역 간의 과도한 연결성을 초래 했다.
흥미롭게도 전측 대상회피질 신경세포의 과활성을 화학유전학적 방법으로 억제했을 때, 전측 대상회피질의 과활성화는 물론 감각 과민도 정상화됐다. 이는 전측 대상회피질의 과활성화가 자폐스펙트럼장애에서 나타나는 감각 과민의 주요 원인 임을 시사한다.
연구를 이끈 김은준 단장은 “이번 연구는 그동안 인지, 사회성 등 고위 뇌 기능과 관련이 깊다고 알려졌던 대뇌 전측 대상회피질의 과도한 활성과 연결성이 자폐스펙트럼장애에 나타나는 감각 과민의 원임임을 증명한 새로운 연구”라며, “ 전측 대상회피질 신경세포의 활성 억제가 Grin2b 유전자 결손과 관련된 감각 과민 치료의 한 방법 이 될 수 있다”라고 말했다.
이번 연구 결과는 세계적인 정신의학 저널 ‘분자 정신의학 (Molecular Psychiatry, IF 11.0)’에 5월 4일 (현지시간) 온라인 게재 됐다.
그림 설명
[그림] 전측 대상회피질 활성 억제를 통한 감각 과민 회복
자폐스펙트럼장애 환자와 동일한 돌연변이를 갖는 생쥐 모델에서 감각과민 증상과 전측 대상회피질 과활성 및 관련 신경회로 과연결이 확인됐다 (좌). 전측 대상회피질의 활성을 억제한 결과 과연결성과 감각과민 행동이 정상 생쥐와 비슷한 수준으로 회복됨을 확인했다 (우).
1) c-fos 이미징(c-fos imaging) : 유전자 조작을 통해 뇌세포가 활성화될 때 발현되는 c-fos 단백질과 형광 단백질을 결합시켜 뇌 활동을 추적하고 특정 자극에 대한 뇌의 반응을 시각화할 수 있다.
2) 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI) : 자기공명영상을 통해 신경 활동이 증가할 때 국소부위의 혈류 및 산소 소비량의 증가로 상대적으로 강해진 자기적 영상신호를 측정하는 방법으로, 공간 해상도와 시간 해상도가 높은 영상을 구성할 수 있다. 특정 인지과정 수행과 특정 뇌 영역의 연관성을 밝히는 데 활용된다.
2024.05.08
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코로나19·메르스·사스 바이러스의 가지각색 감염 전략
코로나19·메르스·사스 바이러스의 가지각색 감염 전략
- IBS 한국바이러스기초연구소,‘넥스트 코로나 팬데믹’대비 표적 치료 전략 제시 -
- 인간 기관지 오가노이드 활용, 코로나바이러스 4종의 숙주세포 감염 메커니즘 비교 -
코로나19 팬데믹은 종식됐지만, 변종 혹은 신종 코로나바이러스가 넥스트 팬데믹을 유발하리란 우려는 여전히 크다. 코로나바이러스 별 ‘맞춤형 치료전략’을 수립할 단서 가 제시됐다. 최영기 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 한국바이러스기초연구소 신변종 바이러스 연구센터장 연구팀은 이주연 국립보건연구원 신종바이러스연구센터장 연구팀과 공동으로 인체감염을 유발했던 4종 코로나바이러스의 서로 다른 숙주세포 감염 전략을 확인 했다.
코로나바이러스는 호흡기와 소화기 감염병을 유발하는 바이러스다. 지금까지 인간에게 감염을 일으킨 코로나바이러스는 총 7종이다. 2003년 사스(SARS-CoV), 2012년 메르스(MERS-CoV), 2019년 코로나19(SARS-CoV-2) 등 세계적인 팬데믹을 유발한 코로나바이러스와 매년 반복되는 감기 코로나바이러스(HCoV-OC43) 등이 여기 포함된다. 코로나바이러스는 야생동물과 가축에 널리 존재하면서, 종을 넘어 전파될 가능성도 커 차후에도 팬데믹을 유발하리란 우려가 지속 제기된다.
전염병 연구에는 사람의 장기 구조를 인공적으로 만든 오가노이드(장기 유사체)가 주로 쓰인다. 코로나바이러스에 관해서도 오가노이드를 이용해 감염경로 및 숙주세포의 반응, 잠재적 치료법 개발 등의 연구가 많이 이뤄졌다. 하지만 지금까지의 연구는 개별 코로나바이러스만 다뤘을 뿐, 여러 코로나바이러스 간의 감염 메커니즘 차이를 복합적으로 분석한 연구는 거의 없었다.
이에 연구진은 사스, 메르스, 코로나19, 감기 코로나바이러스 등 4종의 코로나바이러스를 오가노이드에 감염시켜 숙주와 바이러스 간의 상호작용을 종합적으로 분석하는 연구 를 수행했다. 우선 연구진은 인간 기관지를 구성하는 주요 네 가지 세포인 기저세포, 클라라세포, 잔세포, 섬모세포가 온전하게 자라난 기관지 오가노이드를 제작 했다.
먼저 4종 코로나바이러스에서 모두 감염 시 총 세포 수는 감소하지만, 호흡기 점액을 생성하는 잔세포(Globlet Cell)의 수가 증가함을 확인했다. 코로나바이러스의 침입에 대항하여 점액을 바탕으로 기도 상피의 면역반응이 일어난다 다는 의미다.
각 코로나바이러스가 주로 표적하는 기관지 세포에는 차이 가 있었다. 감기 코로나바이러스는 클라라세포(Club Cell)를 주로 감염시키는 반면, 사스와 코로나19 바이러스는 섬모세포(Ciliated Cell)를 주로 감염시켰다. 메르스 코로나바이러스의 경우 잔세포에 대한 현저한 감염 친화성을 보였다.
제1저자인 박동빈 박사후연구원은 “4종 중 감기 코로나바이러스는 감염시킨 세포의 수 자체는 가장 많았지만, 세포 내 바이러스 증식 정도는 가장 낮았다”며 “사스, 메르스, 코로나19와 달리 감기의 병원성이 낮은 이유”라고 설명했다.
또한, 4종 바이러스에 대한 숙주의 반응을 확인 했다. 바이러스 감염 시 염증반응에 관여하는 유전자 발현을 증가하지만, 바이러스 감염과 증식을 저지하는 인터페론 유전자 발현이 감소하는 경향이 공통으로 나타났다. 다만, 바이러스 증식을 저해하기 위한 전략은 각각 달랐다 1)
연구를 이끈 최영기 센터장은 “그간 코로나바이러스 감염 및 치료에서 섬모세포만 중요하게 다뤄진 것과 달리, 이번 연구는 바이러스의 종류에 따라 클라라세포와 잔세포의 역할이 더 클 수 있음을 제시했다”며 “숙주-바이러스 간 상호작용 및 항바이러스 메커니즘에 대한 통찰력을 확장한 만큼, 향후 각 코로나바이러스에 특이적인 표적 치료전략 개발에 기여 할 것으로 기대한다”고 말했다.
연구 결과는 4월 9일 국제학술지 ‘ 의학바이러스저널 (Journal of Medical Virology)’온라인판에 게재됐다.
그림 설명
[그림1] 코로나바이러스 별 감염 전략 비교 연구 모식도 IBS 한국바이러스기초연구소 연구진은 인간 기관지 상피세포에서 유래한 오가노이드를 제작하고, 이 오가노이드에 4종의 코로나바이러스를 감염시켜 바이러스의 숙주 세포 감염 메커니즘과 이에 대항하는 숙주세포의 반응을 종합적으로 분석했다.
[그림2] 각 코로나바이러스 감염에 따른 세포의 변화 감기 코로나바이러스(HCoV-OC43), 사스 코로나바이러스(SARS-CoV), 메르스 코로나바이러스(MERS-CoV), 코로나19 바이러스(SARS-CoV-2) 등 4종 바이러스 감염 후 세포 변화를 보여주는 현미경 이미지.
[그림3] 4종 코로나바이러스 감염에 따른 공통적인 변화 연구진은 감기 코로나바이러스(HCoV-OC43), 사스 코로나바이러스(SARS-CoV), 메르스 코로나바이러스(MERS-CoV), 코로나19 바이러스(SARS-CoV-2) 등 4종 바이러스에 감염됐을 때 공통적으로 총 세포 수는 감소하지만, 잔세포(Goblet) 수는 증가하는 현상을 확인했다.
[그림4] 4종 코로나바이러스 감염의 차이점 4종 코로나바이러스가 주로 감염시키는 세포에는 차이가 있었다. 감기 코로나바이러스는 클라라세포, 사스 코로나바이러스와 코로나19 바이러스는 섬모세포, 메르스 코로나바이러스는 잔세포에 주로 감염됐다. 그림은 코로나바이러스별 바이러스에 감염된 세포의 상대적 비율(A)과 감염 세포 내 증식 정도(B), 면역형광염색법을 통해 확인한 바이러스 감염 양상(C)을 보여준다.
1) 감기 코로나바이러스 감염 시엔 소포체에서 유래하는 부적절한 단백질에 대항하는 반응(Unfolder Protein Response pathway)이 주로 작동되어 바이러스 증식을 저해했다. 사스 코로나바이러스에 감염되면 숙주세포가 인산화반응을 매개로 바이러스 증식에 필요한 에너지를 조절해서 증식을 저해했다. 메르스 코로나바이러스에 감염되면 세포는 점액 생산을 조절했으며, 코로나19 바이러스에 감염되면 세포 내 중요한 신호전달자인 칼슘이온을 매개한 방어기작이 활성화되는 것을 확인했다.
2024.04.30
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심장 미세환경까지 구현한 미니 장기 ‘오가노이드’ 나왔다
심장 미세환경까지 구현한 미니 장기 ‘오가노이드’ 나왔다
- 약물 평가·질환 모델 구축·재생치료 등 다양한 활용성 검증 -
- IBS 나노의학 연구단, 동물실험에서 심장 재생치료 가능성 확인 -
이식 가능한 심장 오가노이드에 한 걸음 더 가까워졌다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 조승우 연구위원 (연세대학교 생명공학과 교수) 연구팀 은 가톨릭대학교 의과대학 박훈준 교수 연구팀과 공동으로 복합적인 심장 미세환경을 체외에서 구현하는 심장 오가노이드 제작·배양 기술을 개발 했다. 나아가 약물 평가, 질환 모델 구축, 재생치료와 같은 폭넓은 응용성을 검증 해 머지않아 임상에도 적용이 가능할 것으로 보인다.
오가노이드란 줄기세포와 조직공학 기술을 통해 인공적으로 만든 장기유사체로, 신약 유효성·안전성 평가 등 다양한 활용이 가능해 전 세계적으로 주목받고 있다. 다양한 심장 구성 세포로 이뤄진 심장 오가노이드는 심장의 3차원 구조와 생리적 기능을 구현해, 2차원으로 배양된 기존 세포 모델보다 우수한 점이 많다. 하지만 아직 개체 간 크기·기능의 편차가 크며, 분화도 1) ·성숙도·기능성 등이 실제 심장 수준에 미치지 못한다. 이는 약물 평가의 정확도를 떨어뜨리고 이식 후 조직 재생 효과를 보장할 수 없어 실질적인 응용에 어려움이 있었다.
이를 극복하고자 연구진은 심장의 물리적·생화학적 미세환경을 오가노이드에 구현해 기존 오가노이드의 한계를 효과적으로 개선 했다. 우선, 장기 맞춤형 조직공학 기술을 개발해 새로운 형태의 심장 오가노이드를 제작 했다. 실제 심장의 다양한 세포 구성을 그대로 구현하고자 인간 유도만능줄기세포 2) 로부터 분화된 심근세포 외에도 심장 섬유아세포, 혈관내피세포까지 세 종류의 세포를 혼합했다. 이후 혼합된 세포를 심장 조직 유래의 세포외기질 지지체 3) 내에 배양해 심장 오가노이드를 제작했다. 이로써 실제 심장 조직 내 존재하는 다양한 세포 간 상호작용뿐만 아니라, 세포 및 세포외기질 간 상호작용도 구현하는 심장 오가노이드를 제작 할 수 있었다.
또한, 심장 내 혈류가 흐르며 산소와 영양분이 공급되는 동적 미세흐름을 구현하고자 미세유체 칩(microfluidic chip)을 활용한 동적 배양법을 개발 했다. 미세유체 칩은 오가노이드 챔버와 배양액 챔버가 마이크로 크기의 채널들로 연결돼있으며, 이를 교반기 위에 올려놓는 방식으로 간단히 미세흐름을 제공할 수 있다. 이 배양법으로 기존의 정적 배양법과 달리 산소와 영양분을 오가노이드 내부까지 끊임없이 공급할 수 있었다. 이는 오가노이드의 생존율을 높이고 장기배양을 가능케 했다.
이어 연구진은 제작된 오가노이드의 응용 가능성을 검증 했다. 먼저, 약물의 유효성 및 심장 기능에 이상을 일으키는 심독성을 예측하는 플랫폼으로 활용 가능 하다. 부정맥 유발 위험도가 있는 약물을 오가노이드에 실험한 결과, 약물 반응이 기존 임상 데이터와 유사한 양상을 보였다. 또한, 오가노이드를 활용해 심장 섬유증, 긴 QT 간격 증후군 4) 등 심장질환 모델 제작에도 성공 했다.
그뿐만 아니라 심근경색을 유발한 쥐에 심장 오가노이드를 이식해 심장 재생치료 가능성을 확인 했다. 오가노이드가 이식된 쥐의 심장은 수축 기능 향상, 섬유화 감소, 그리고 손상된 조직이 정상 조직과 유사한 수준으로 재생되는 효과 를 보였다. 또한, 심장 조직 내 안정적으로 생착한 오가노이드는 심근세포끼리 유기적으로 연결돼 수축 관련 신호가 원활히 전달되도록 했다. 이는 향후 부정맥 유발 가능성을 줄이는 치료제로 활용될 수 있음을 의미 한다.
조승우 교수는 “이번 연구의 오가노이드는 향후 체외 모델 플랫폼으로써 신약 개발의 효율성을 높이고, 심장 조직을 근본적으로 재건하는 재생치료제로 활용 가능 할 것으로 보인다”며, “개발한 조직공학 기술은 다른 장기 오가노이드에도 접목해 추후 바이오산업 및 임상 치료에 적용될 것으로 기대 된다”고 전했다.
그림 설명
[그림1] 심장 미세환경 구현한 심장 오가노이드 제작 과정 및 우수성
이번 연구의 심장 오가노이드는 심근세포, 혈관내피세포, 심장 섬유아세포 총 3종의 세포를 심장 조직 유래 세포외기질(HEM)에 캡슐화해 제작됐다. 이후 미세유체 칩과 교반기를 이용한 방법으로 동적 흐름을 끊임없이 제공해 성숙한 심장 오가노이드를 제작했다. 나아가 상용화된 하이드로젤 4종과 기존 플레이트를 활용해 심장 오가노이드와의 심근 분화도를 비교해 HEM의 우수성을 확인하고자 했다. 결과적으로 HEM을 이용한 심장 오가노이드에서 3종 세포를 표지하는 단백질 발현도가 종합적으로 월등했다. 또한, 미세유체 칩을 활용한 동적 배양은 정적 배양보다 오가노이드 내부까지 산소 공급이 가능했고, 이는 오가노이드의 생존율을 높여주고 장기배양을 가능하게 했다.
[그림2] 새로운 심장 오가노이드를 활용한 약물 평가 및 심질환 모델 제작
심장 오가노이드에 전기생리학적 분석 시스템을 접목해 약물의 유효성 및 심독성을 예측했다. 심장에 미치는 영향이 잘 알려진 약물 2종을 처리하면, 약물 1(E-4031)과 약물 2(Nifedipine)에 의해 필드 포텐셜 길이(Field potential duration)가 기존에 알려진 바와 같이 농도 의존적으로 각각 연장되거나 단축되는 것을 확인했다. 또한, 부정맥 유발 위험도가 임상적으로 알려진 8종의 약물을 평가했을 때 약물 반응이 기존 임상 데이터와 유사한 양상을 보였다. 나아가 환자 유래 유도만능줄기세포를 활용해 긴 QT 간격 증후군(Long QT Syndrome) 모델을 제작해 전기생리학 분석으로 검증했으며, 외부 인자(TGF-β1) 처리를 통해 심장 섬유증 모델을 제작해 조직학 분석으로 검증했다.
[그림3] 기능적인 심장 재생 치료제로서의 가능성 확인
배양된 심장 오가노이드를 모식도와 같이 심근경색 쥐 모델에 이식해 심장 재생치료 가능성을 확인했다. 초음파 분석과 혈역학적 검사로 이식된 심장 오가노이드의 수축 기능이 크게 향상됨을 확인했고, 조직학 분석으로 섬유화 감소, 혈관화 증진 등의 효과를 관찰했다. 또한, 세포를 생체 내에서 추적하기 위해 붉은 형광 단백질(RFP)을 발현하는 심근세포로 구성된 오가노이드를 이식했다. 이식된 심근세포가 숙주 조직 내 안정적으로 생착해 성숙된 간극 연접을 발현하는 것을 조직학 분석으로 확인했다. 결과적으로 기존 방식으로 배양한 심장 오가노이드보다 심장 미세환경이 통합된 심장 오가노이드에서 재생 효과가 우수했다.
1) 분화도: 줄기세포로부터 특수한 기능을 갖는 세포로 분화된 정도(예: 심근세포). 심근세포의 경우 분화도가 높을수록 실제 심근 수준과 비슷해지고, 수축 기능과 같은 심근세포 고유 기능이 우수해지므로 약물평가용으로 활용하기 좋다.
2) 유도만능줄기세포: 만능성을 가지도록 제작된 줄기세포. 심근, 신경, 간 등 다양한 종류의 세포로 분화할 수 있다.
3) 세포외기질 지지체: 실제 조직 내에 포함된 세포들을 모두 제거하고 세포외기질(Extracellular matrix) 성분만을 남긴, 세포 및 오가노이드 배양용 지지체. 이번 연구에서는 하이드로젤 형태로 제작됐다.
4) 긴 QT 간격 증후군(Long QT syndrome): 선천성 부정맥 질환으로 돌연변이가 일어난 유전자 종류에 따라 분류됨. 이번 연구에서는 환자 유래의 유도만능줄기세포를 이용해 모델을 제작했다.
2024.04.25
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세계 최초, 1기압에서 다이아몬드 생산 성공
세계 최초, 1기압에서 다이아몬드 생산 성공
- 고온고압에서만 다이아몬드가 합성된다는 기존 패러다임 깨졌다··· -
- 다이아몬드 활용해 나노 크기 자기 센서 개발, 양자 컴퓨터 분야 등 응용 기대 -
대부분의 다이아몬드는 고온고압 조건에서 생산된다는 패러다임이 완전히 깨졌다. 바로, 우리 주변 기압인 대기압(1기압)에서 다이아몬드를 합성시키는 방법이 최초 개발된 것이다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 연구단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀은 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용하여 1기압 에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공 했다.
다이아몬드는 우수한 열 전도성과 단단함 및 내화학성 1) 을 갖는 탄소 물질로 전자기기의 열 전도체, 반도체의 온도 상승을 방지하는 방열 장치 등 활용도가 매우 높다. 하지만 이런 다이아몬드를 합성하기란 상당히 까다롭다. 대부분의 다이아몬드는 섭씨 1300도~1600도에 육박하는 고온 과 표준 대기압(1기압)의 5만 배~6만 배에 달하는 고압 조건에서만 합성 되기 때문이다. 또한 고온고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀의 크기 제한 때문에 합성 가능한 다이아몬드의 크기는 약 1세제곱센티미터로 제한된다.
IBS 연구팀은 이러한 기존 다이아몬드 합성 패러다임을 완전히 깨는, 1025도 온도 및 1기압 압력 조건에서 다이아몬드를 최초 합성했다. 우선 연구팀은 빠르게 가열 및 냉각 가능한‘RSR-S’이라는 장치를 자체 제작하여, 3시간이 걸리는 기존 장치들과 달리 총 15분이면 모든 실험 준비 과정이 완료 될 수 있게 했다. RSR-S 장치는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치로, 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 최적의 온도, 압력, 액체 금속 합금 비율 조건을 찾기 위해 수백 개의 매개변수 조정에 사용됐다.
연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들었다. 그리고 하부 표면에서, 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 확산되는 것을 확인했다. 액체 금속 합금 하부에서 탄소 확산이 1025도의 온도와 1기압 압력에서 이루어짐으로써 다이아몬드가 성장 한다는 사실을 밝힌 것이다.
또한 ‘광 발광 분광법’이라는 실험을 통해 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 분석해봄으로써 다이아몬드 내 ‘실리콘 공극 컬러 센터’ 구조를 발견했다. 이 구조는 액체 금속 합금의 구성요소 중 하나인 실리콘이, 탄소로만 이루어진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 구조다. 이때, 실리콘 공극 컬러 센터 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고, 양자 현상(양자적인 특성)을 띈다. 그래서 향후, 나노 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨터 분야로 응용 이 기대된다.
공동 교신저자 성원경 연구위원은 “이번 연구 결과를 바탕으로, 보다 쉽고 크게 다이아몬드를 만들 수 있게 됐다. 액체 금속 합금의 구성을 다른 금속으로 대체하는 방법을 찾아 더욱 폭넓은 실험 조건에서 다이아몬드를 합성할 길을 열 것”이라며 후속 연구에 대한 기대를 밝혔다.
연구를 이끈 로드니 루오프 연구 단장은 “반도체, 기계 산업과 같은 주요 산업에 바로 접목할 수 있는 다이아몬드 합성 원천기술을 획득했다. 한국이 앞으로 빠르게 응용 분야를 확장해 관련 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대된다”라 밝혔다.
연구 결과는 4월 25일 0시 (한국시간) 세계 최고 권위 국제학술지 ‘ 네이처 (Nature, IF 64.8)’온라인판에 실렸다.
그림 설명
[그림1] 1기압 하에서 액체 금속 합금에서 다이아몬드의 성장. (a) 응고된 액체 금속 표면에 성장한 다이아몬드
(b) 응고된 액체 금속 표면에 성장한 연속 다이아몬드 필름의 광학 사진.
(c) 전자 현미경용 샘플 그리드 위에 전사된 다이아몬드 필름의 광학 사진.
(d) 다이아몬드 필름의 원자힘현미경 사진.
(e) 응고된 액체 금속 표면에 성장한 단일 다이아몬드 입자의 단면 투과 현미경 사진.
(f) 성장한 다이아몬드의 원자 구조 사진.
(g) 응고된 액체 금속에 있는 성장된 다이아몬드의 주사 전자 현미경 사진.
(h) 액체 금속의 바닥 표면에서 다이아몬드의 성장을 유도하는 탄소의 확산을 보여주는 도식.
[그림 2] 다양한 성장 조건에서 성장한 다양한 형태의 다이아몬드 (a) 메탄/수소(1/20 몰비) 하에서 Ga/Ni/Fe/Si(77.75/11.00/11.00/0.25 at%)의 액체 금속 합금을 사용하여 성장.
(b) 메탄/수소(1/20 몰비) 하에서 Ga/Ni/Fe/Si(77.50/11.00/11.00/0.50 at%)의 액체 금속 합금을 사용하여 성장.
(c) 메탄/수소(1/20 몰비) 하에서 Ga/In/Ni/Fe/Si(38.88/38.87/7.33/14.67/0.25 at%)의 액체 금속 합금을 사용하여 성장.
(d) 메탄/수소(1/5 몰비) 하에서 Ga/Ni/Fe/Si(77.75/11.00/11.00/0.25 at%)의 액체 금속 합금을 사용하여 성장.
1) 내화학성: 물질이 화학적 물질이나 처리에 견디는 정도.
2024.04.25
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1.5배 늘려도 화질은 그대로, 고무처럼 늘어나는 QLED
1.5배 늘려도 화질은 그대로, 고무처럼 늘어나는 QLED
- IBS 나노입자 연구단, 본질적 신축성을 지닌 퀀텀닷 디스플레이 소자 개발 -
- 스트레처블 퀀텀닷 디스플레이 시대 성큼 … Nature Electronics 誌 게재 -
고무처럼 늘려도 화질 변화가 없는 퀀텀닷 (양자점) 디스플레이 원천기술이 개발 됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단
김대형 부연구단장 (서울대 화학생물공학부
교수)과 현택환 단장 (서울대 화학생물공학부 석좌교수) 연구팀은 최문기 UNIST 교수, 양지웅 DGIST 교수팀과 공동으로 세계 최고 성능의 스트레처블
QLED(퀀텀닷발광다이오드) 개발 에 성공했다.
폴더블, 롤러블을 넘어선 새로운 폼팩터(기기 형태)를 가진 개발이 활발 하다. 폼팩터 혁신의 핵심은 스트레처블 디스플레이 다. 지금까지 개발된 스트레처블
디스플레이는 신축 시 발광부를 제외한 배선부만 늘어나는 구조였다. 신축 시 화면에서 발광부가 차지하는 면적 비율(필 팩터)이 감소해 화질이 떨어지고, 발광부와 배선부 간
계면의 기계적 신뢰성이 떨어지는 문제가 발생한다.
화질 저하 문제 해결을 위해서는 신축 시 배선부와 발광층이 모두 늘어나는 ‘본질적 신축성’이 있는 발광소자 개발이 필수 다. 본질적 신축성 발광소자 개발을 위한 기존
연구들은 발광물질로 유기전자 복합소재를 활용해왔다. 하지만 유기전자 복합소재는 이동도 및 색 재현력 측면에서 상용화 수준의 성능에 이르지 못한다는 한계가 있다.
IBS 연구진은 퀀텀닷을 발광물질로 활용하는 새로운 신축성 발광층을 고안 했다. 우선 연구진은 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 퀀텀닷과 탄성을 가진
고분자(SEBS-g-MA), 정공 전달 소재를 균일하게 섞은 용액을 제작했다. 이후, 이 용액을 스핀 코팅 1) 기술을 이용해
40nm 두께의 균일한 발광층으로 만들었다.
공동 제1저자인 김동찬 가천대 교수(前 IBS 나노입자 연구단 연구원)는 “우리 연구진은 신축성 퀀텀닷 발광층에 적용할 수 있는 고해상도 패터닝 기술도 새롭게
개발 했다”며 “발광 소재와 패터닝 기술을 결합해 RGB 3색의 픽셀을 모두 함유한 풀컬러 스트레처블 QLED 디스플레이 소자를 완성할 수 있었다”고
설명했다.
연구진이 제조한 소자의 최고 휘도 (밝기)는 1만5,170니트 (nits), 구동 전압은 6.2V로 지금까지 개발된 신축성 퀀텀닷 발광소자 중 가장 우수한
성능 을 보였다. 기존 성능이 가장 우수하다고 보고된 2022년 미국 스탠퍼드대 연구진이 개발한 소자는 휘도 7,450니트, 구동 전압 15V였다.
성능을 대폭 혁신한 것이다.
이 소자는 양옆으로 당기는 힘이 가해져도 기계적 손상이나 발광 성능 저하가 발생하지 않는다. 또, 최대 1.5배까지 늘려도 소자 내 퀀텀닷 간의 거리에 큰 변화가
없었다. 가령, 이 소자로 20인치의 QLED TV를 만든다면, 30인치 크기까지 잡아당겨도 동일한 발광 성능을 유지할 수 있다.
공동 교신저자인 최문기 UNIST 교수(前 IBS 나노입자 연구단 연구원)는 “ 퀀텀닷 발광소자의 고해상도․고색재현력이라는 장점을 살리면서 신축 시에도 성능이 떨어지지
않는 소자를 구현했다는 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “휘도는 높이고, 구동 전압은 낮추는 등 성능 최적화를 위한 후속 연구 를 진행할 계획”이라고 말했다.
연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “스트레처블 소자를 활용한 형태 가변 디스플레이는 차세대 디스플레이 발전의 핵심 트렌드”라며 “ 자동차 내부 곡면 디스플레이 등 플렉서블이나
폴더블 폼팩터로는 구현이 어려운 곳에 우리 연구진이 개발한 기술이 적용돼 자유 형상 디스플레이 시대를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 결과는 4월 15일 (한국시간) 전기․전자 분야 세계적 권위지인 ‘ 네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics, IF 34.3)’ 온라인판에
실렸다.
그림 설명
[그림 1] 연구진이 개발한 본질적 신축성을 지닌 퀀텀닷
발광소자
[그림 2] 연구진이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자의
모식도 IBS 나노입자 연구단이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자의 발과층은 퀀텀닷, 탄성체 고분자 소재, 정공 전달 소재로 구성된다. 기존
대비 매우 우수한 발광 성능을 보인다.
[그림 3] 소자 신축에 따른 발광 성능 IBS
나노입자 연구단이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자는 50%까지 신축 변형을 일으켜도 발광 성능이 동일하게 유지됐다.
1) 스핀 코팅(Spin Coating): 기판을 회전시킬 때 발생하는 원심력을 이용해 기판을 코팅하여 균일한 박막으로 제조하는 방법.
2024.04.16
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뇌과학의 진화, 생각 속 ‘감정’까지 읽어내다
뇌과학의 진화, 생각 속 ‘감정’까지 읽어내다
- 기능적 자기공명영상(fMRI) 기반 머신러닝으로 생각에 담긴 감정 예측 -
- 우울감·불안감 일으키는 생각·감정의 패턴 파악 기대감 상승 -
흘러가는 생각 속에 담긴 감정을 읽어내는 예측 모델이 개발됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 우충완 부연구단장 (성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 기능적 자기공명영상 (functional MRI, fMRI) 으로 뇌의 활동 패턴을 측정한 데이터 기반 머신러닝을 활용해 생각의 자기 관련도와 정서 상태를 읽어냈다.
생각의 흐름은 때론 무작위적으로 느껴질지 몰라도, 대부분 자신과 관련되고 감정이 담긴 경우가 많다. 인간은 정보의 중요성을 판단할 때 본인과 얼마나 관련 있는지(자기 관련도), 본인에게 긍정 혹은 부정적인지(긍·부정 정서)를 고려하기 때문이다. 이처럼 생각의 주요 축인 ‘자기 관련도’와 ‘긍·부정 정서’는 개인의 성격, 인지 특성, 정신 건강 등을 알려주는 중요한 지표 다. 하지만 이는 의식의 제약 없이 발생해 주의를 기울이는 순간 내용이 바뀔 수 있어 연구하는 데 어려움이 있었다.
이에 연구팀은 무의식적 사고와 가장 유사한 형태인 개인 맞춤형 이야기 자극을 만들었다. 실험 자극은 참가자와 진행한 일대일 인터뷰 내용 기반 으로 만들어졌고, 인터뷰는 안전·즐거움 등 긍정적인 주제와 위험·통증 등 부정적인 주제로 진행됐다. 이야기는 대부분 본인의 경험 및 그와 관련된 감정으로 구성돼 친숙한 만큼, 읽을 때 무의식적 사고와 가장 유사한 양상을 보였다. 기존 연구에서 사용한 외부 자극은 의식의 제약 없이 자연스럽게 발생하는 우리의 평소 생각과는 거리가 멀다는 점을 극복한 것이다.
우선, 참가자가 fMRI 기기 안에서 본인의 이야기를 읽는 동안 뇌의 활동 패턴을 기록했다. 이후 참가자는 이야기를 다시 읽으며 순간순간 자신이 느끼는 자기 관련도와 긍·부정 정서를 보고했다. 이렇게 수집한 49명의 자기 관련도와 긍·부정 정서 점수를 분포도에 따라 각각 다섯 개의 수준으로 분류 했다. 이때, 자기 관련도와 긍·부정 정서 간 상관관계를 최대한 통제하고 독립적으로 예측하고자 두 가지를 동시에 고려한 25개의 조합으로 데이터를 정량화했다.
연구팀은 각 수준에 해당하는 뇌의 활동 패턴을 머신러닝으로 학습시킨 예측 모델을 개발 했다. 이는 새로운 뇌의 활동 패턴을 대입했을 때도 그 사람이 매 순간 느끼는 자기 관련도와 긍·부정 정서를 성공적으로 예측 했다. 더 나아가 외부 자극 없이 자유롭게 생각하거나 휴식을 취하는 동안 수집된 약 200명의 뇌 활동 패턴에서도 유의미한 수준으로 두 가지를 읽어냈다.
제1저자인 김홍지 IBS 뇌과학 이미징 연구단 연구원은 “새로운 예측 모델은 사전에 제작된 실험 자극을 모든 참가자에게 일괄적으로 적용한 기존 연구와 달리, 개인 맞춤형 자극을 활용했다는 차이가 있다”며, “그뿐만 아니라 실험 조건에 국한되지 않은 일상적인 생각의 감정도 해독 할 수 있다는 점에서 차별성을 갖는다”고 했다.
우충완 부연구단장은 “뇌에서 생각을 읽고자 하는 다양한 시도가 있지만, 생각에 담긴 내밀한 감정에 관한 연구는 거의 이루어지지 않았다”며, “이번 연구는 생각과 감정의 개인차를 이해하는 데 기여 할 것으로 기대된다”고 말했다. 또한, “우울감이나 불안감을 일으키는 생각과 감정의 패턴 파악 을 도와 향후 인간의 정신 건강에 중요한 정보를 제공 할 수 있을 것”이라고 전했다.
연구결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)’ 온라인판에 3월 28일(현지시간) 실렸다.
그림 설명
[그림1] 자기 관련도와 긍·부정 정서를 예측하는 모델
자기 관련도와 긍·부정 정서를 예측하는 모델에서 중요한 영역과 네트워크를 나타낸다. 자기 관련도를 예측하는 데에는 앞쪽 뇌섬엽(aINS; anterior insula)과 중앙대상피질(aMCC; anterior midcingulate cortex) 등의 영역이, 긍·부정 정서의 경우에는 왼쪽 측두두정접합 영역(TPJ; temporoparietal junction)과 배내측 전전두피질(dmPFC; dorsomedial prefrontal cortex) 등의 영역이 각각 중요한 역할을 한다. 또한, 네트워크 차원에서는 디폴트모드 네트워크(default mode network), 복측 주의 네트워크(ventral attention network), 전두 두정엽 네트워크(frontoparietal network) 등이 자기 관련도와 긍·부정성 정서 모두를 예측하는 데 중요함을 보여준다.
2024.04.11
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단결정 내 역동적인 분자 구조 변화 포착
단결정 내 역동적인 분자 구조 변화 포착
- IBS 첨단 반응동역학 연구단, 시간분해 연속 펨토초 결정학 기법으로 화학적 단결정 분자의 반응 경로 최초 규명 -
눈에 보이지 않는 작은 분자 세계의 비밀이 밝혀졌다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 첨단 반응동역학 연구단 이효철 단장 (KAIST 화학과 교수) 연구팀은 화학적 단결정 분자 내 구조 변화와 원자의 움직임을 실시간으로 관찰 하는 데 성공했다.
물질을 이루는 기본 단위인 원자들은 화학결합을 통해 분자를 구성 한다. 하지만 원자는 수 펨토초(1/1,000조 초)에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준으로 미세하게 움직여 시간과 공간에 따른 변화를 관측하기 어려웠다. 분자에 엑스선을 쏴 회절 신호를 분석하는 엑스선 결정학 1) (X-ray Crystallography)의 등장으로 원자의 배열과 움직임을 관찰하는 도구가 상당한 발전을 이뤘지만, 주로 단백질과 같은 고분자 물질에 대한 연구에 집중 됐다. 비(非)단백질의 작은 분자 결정은 엑스선을 흡수하는 단면적이 넓고 생성되는 신호가 약해 분석이 어렵기 때문이다.
연구진은 선행 연구에서 단백질 내 화학반응의 전이상태와 그 반응 경로를 3차원 구조로 실시간 규명한 바 있다. 이번 연구에서는 최초로 분자 단위 시스템에서 비단백질 분자의 구조 변화를 밝히는 데 성공 하면서 분자 동역학 분야에 새로운 이정표 를 세운 것으로 평가된다.
연구진은 수 펨토초의 순간에 변화하는 분자의 움직임을 포착하기 위해 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자 레이저를 이용한 시간분해 연속 펨토초 결정학 (time-resolved serial femtosecond crystallography, TR-SFX) 기법을 사용 했다. 이 기법은 엑스선 자유전자 레이저에서 생성되는 펨토초 엑스선 펄스 2) 를 반응 중인 분자에 쏴 얻은 엑스선 회절 신호를 분석해 특정 순간 분자의 구조를 알아내는 방식 이다.
공동 제1저자인 이윤범 선임연구원은 “방대한 양의 엑스선 회절 신호를 시간 순서대로 나열하면 원자의 움직임을 실시간으로 시각화 할 수 있다”라며, “마치 분자의 초고속 변화를 영상으로 촬영하는 것과 같다”라고 설명했다.
실험을 위한 시료는 철 포르피린 (Fe-porphyrin) 유도체와 지르코늄(Zr) 클러스터가 반복적으로 연결된 금속–유기 골격체에 일산화탄소 (CO)가 흡착된 형태의 결정 을 선택했다. 금속-유기 골격체는 금속 이온과 유기 분자가 연결돼 형성된 다공성 물질로, 다양한 구조적 기능, 가스 흡착 및 저장, 촉매활성 등의 특성으로 여러 산업 분야 응용에 주목 받는 물질이다.
연구진은 이 시료에 강력한 자외선 레이저를 쏴 광해리 반응을 유도 하고, 이후 펨토초 엑스선 펄스의 회절 신호를 분석했다. 그 결과, 광해리 반응으로 인해 철 포르피린에 흡착된 일산화탄소가 떨어져 나오며 세 가지의 주요한 구조로 변화 하는 것을 밝혔다. 첫째는 5.55 피코초(1/1조 초) 주기로 진동하며, 2.68 피코초로 제동하는 철과 지르코늄 원자들의 집단 결맞음 진동 구조로의 변화다. 둘째는 철 포르피린의 철 이온이 포르피린 평면상에서 벗어나며 지르코늄 원자가 진동하는 구조다. 두 변화는 모두 200 펨토초 이내에 이뤄졌다. 마지막으로 온도 증가에 따라 철과 지르코늄 원자들의 무작위 진동 구조도 확인했다. 찰나의 순간, 분자의 역동적 구조 변화를 포착 한 것이다.
공동 제1저자인 강재동 학생연구원은 “이번 연구는 분자 구조를 정확히 통제해 맞춤형 특성을 가진 새로운 물질을 설계하는 연구에 기초정보를 제공 할 수 있을 것”이라며, “촉매, 에너지 저장 및 이산화탄소 포집, 약물 전달 등 다양한 연구 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”라고 전했다.
연구를 이끈 이효철 단장은 “포항가속기연구소의 적극적 지원으로 화학적 단결정 분자의 구조 변화를 최초로 포착할 수 있었다”라며, “분자 단위 화학 시스템 연구를 위한 강력한 도구로서 시간분해 연속 펨토초 결정학의 잠재력을 확인했다” 라고 말했다.
이번 연구 결과는 3월 25일 19시 (한국시간) 국제학술지 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 온라인 판에 게재 됐다.
그림 설명
[그림 1] 금속–유기 골격체에 대한 시간분해 연속 펨토초 결정학 실험 구성도 실험을 위해 금속–유기 골격체에 강렬한 펨토초 자외선 레이저 펄스를 조사해 광해리 반응을 유도했다. 엑스선 자유 전자 레이저 시설의 펨토초 엑스선 펄스로 펨토초 및 옹스트롬 시공간 분해능으로 금속–유기 골격체 내의 철 포르피린과 지르코늄 클러스터의 초고속 구조 변화를 직접 시각화할 수 있었다. 광 해리반응 후 금속–유기 골격체의 분자 구조는 시간에 따른 초고속 엑스선 펄스가 만들어내는 엑스선 회절 패턴을 측정함으로써 관찰됐다.
[그림 2] 중간체의 차이 전자 밀도 지도 및 세 구조중간체의 동역학 Iosc은 진동하는 구조에 대한 구조 중간체, Itr은 순간적으로 생성되는 구조 중간체이고 Ihot은 진동적으로 뜨거운 구조 중간체에 대한 SADED maps과 세 구조 중간체의 동역학을 의미한다. SADED maps의 맨 위 패널은 철 포르피린과 지르코늄 클러스터를 보여주며, 중간 패널은 지르코늄 클러스터의 지르코늄 원자를 확대해서 보여준다. 맨 아래 패널은 철 포르피린의 철 원자를 확대해서 보여주고 있다. 빨간색 차이 전자 밀도는 전자 밀도가 사라지는 것을 의미하며, 원자가 기존 위치에서 움직일 때 나타난다. 반대로, 파란색 차이 전자 밀도는 전자 밀도가 생성되는 것을 의미하며, 원자가 해당 위치로 움직일 때 나타난다.
Iosc은 5.55 피코초 주기로 진동하며, 2.68 피코초로 제동되며, Itr은 200 펨토초인 IRF 내에 순간적으로 생성되고 47.1 피코초의 시간상수를 가지면서 사라진다. Ihot은 1.1 피코초와 11.32 피코초의 시간 상수를 가지면서 생성되며 3 나노초까지 유지되는 것을 관측했다.
[그림 3] 금속–유기 구조체 내의 전반적인 구조동역학 모식도 시간분해 연속 팸토초 결정학을 사용해 여러 분자 상태를 성공적으로 관찰했다. 첫째, Iosc은 5.55 피코초 주기로 진동하며, 2.68 피코초로 제동되는 철과 지르코늄 원자의 집단 진동 구조를 포착했다. 두 번째로 Itr은 200 펨토초인 IRF 내에 순간적으로 생성되고 47.1 피코초의 시간상수를 가지면서 사라지는 동안, 철 원자가 포르피린 평면 상에서 바닥상태보다 더 벗어나는 구조와 이에 따른 지르코늄 원자의 움직임을 포착했다. 마지막으로 Ihot은 1.1 피코초와 11.32 피코초의 시간 상수를 가지며 3 나노초까지 지속되었고, 이는 분자가 뜨거워질 때 일어나는 진동으로 인한 차이전자 밀도 지도의 특징을 보여준다.
1) 엑스선 결정학(x-ray crystallography) : 물질에 엑스선을 입사시키면 각각의 원자로부터의 산란파가 서로 간섭 현상을 일으켜 특정한 방향으로 엑스선이 진행하는 회절 현상이 일어난다. 회절파의 강도와 진행 방향이 원자의 종류와 배열 상태에 따라 달라지기 때문에 회절된 빛을 조사하여 분자의 삼차원 구조를 알 수 있다.
1) 펨토초 엑스선 펄스(femtosecond x-ray pulse) : 짧은 시간 동안만 빛이 방출되는 형태를 펄스라고 하는데, 엑스선이 펄스의 형태로 생성되고 그 시간 길이가 펨토초(1/1,000조 초) 정도일 때, 펨토초 엑스선 펄스라고 한다. 보통 엑스선 자유전자 레이저를 이용하여 얻을 수 있다.
2024.03.26
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저산소증 활용한 뇌 혈류 측정의 새로운 패러다임 제시
저산소증 활용한 뇌 혈류 측정의 새로운 패러다임 제시
- IBS 뇌과학 이미징 연구단, 정확·반복 가능한 혈류 측정 방법 개발 -
- 뇌질환 조기진단 및 진행 경과, 치료 효과 모니터링 가능 -
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장 (성균관대 글로벌바이오 메디컬공학과 석좌교수) 연구팀은 일시적인 저산소 상태를 유도 해 조직과 장기에 공급되는 혈액의 흐름, 즉 혈류(관류)를 측정하는 새로운 방법을 개발 했다.
뇌 혈류는 항상성을 유지하기 위해 뇌의 노폐물을 제거하고 산소 및 영양분을 전달할 뿐만 아니라 다양한 뇌질환의 바이오마커 역할을 한다. 기존 자기공명영상(MRI), 양전자방출 단층촬영(PET), 컴퓨터단층촬영(CT)과 같은 혈류 측정 방법은 방사성 화합물, 조영제 등 외인성 추적자가 필요하다. 하지만 방사선 노출이나 조영제 허용치 등의 한계로 인해 반복적인 촬영이 어려웠다.
이번 연구에서는 체내 존재하는 디옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin; dHb) 1) 에 주목 했다. MRI 기법으로 혈류를 측정할 때 혈류지표인 뇌혈류용적(CBV)과 뇌혈류량(CBF) 을 주로 사용하며, 이는 저산소 환경에서 측정이 쉽다 는 특징이 있다. 산소가 부족해지면 산소와 결합하지 않는 dHb의 농도가 일시적으로 높아지는데, dHb는 자성을 띠어 혈류 측정에 이용되는 MRI 신호 변화량을 증가시키기 때문이다.
이에 연구진은 흡입마취 상태인 쥐 모델에 질소가스를 5초 동안 노출해 저산소 상태를 유도 하고, 발생한 MRI 신호 변화를 통해 CBV와 CBF를 측정했다. 이 방법은 MRI 신호 검출 민감도를 높여 더욱 정확한 혈류 측정을 가능 케 했다. 또한, 일시적인 저산소 상태는 수 초간 숨을 참는 것이나 다름없어 실험 쥐에 미치는 생리학적 영향이 미미했다.
연구진이 개발한 시스템은 흡입마취제뿐만 아니라 주사용 마취제를 투여한 쥐 모델에서도 질소가스를 성공적으로 전달하고 뇌 혈류를 정량적으로 측정했다. 이는 기존방법에 비해 비침습적이고, 신호 감도가 높아 작은 MRI 신호 변화도 민감하게 측정 가능하다는 의미다.
새로운 혈류 측정 시스템은 단기간에 반복측정이 가능해 시간을 단축하고 비용을 절감 할 수 있다. 또한, 뇌 조직뿐만 아니라 온몸에 걸쳐 발생하는 허혈성 질환, 암 질환 등에 적용이 가능하다. 치료약물 투여 전후의 변화도 측정할 수 있어, 전임상·임상 약효 유효성 평가에도 활용 가능 하다는 장점이 있다.
김성기 단장은 “혈류지표의 측정은 치매, 뇌종양 등 다양한 뇌질환의 조기진단 및 진행 경과, 치료 효과의 모니터링에 중요하다” 며, “향후 사람에게도 적용 가능한 혈류 측정 방법의 개발이 기대된다”라고 말했다.
연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 2월 28일(한국시간) 실렸다.
그림 설명
[그림1] 혈류 측정 시스템 구성도 및 질소-마취 가스공급 패러다임에 의한 MRI 신호 변화. (A) 휘발성 마취제가 공급된 쥐를 위해 특별히 설계된 가스공급 시스템이다. 가스공급은 마취제가 포함된 의료용 가스와 저산소 가스 사이를 전환하는 TTL(Transistor-Transistor Logic) 신호를 사용해 MRI와 동기화된다. 가스는 쥐의 코에 맞는 입구 2개와 음압 출구 1개가 있는 노즈콘을 통해 전달된다. (B) 가스 자극을 위한 블록 설계이며, (C) 가스 자극에 의한 MRI 신호 변화를 나타내는 그림이다.
[그림 2] 덱스메데토미딘+아이소플루레인(0.3%), 아이소플루레인(1%, 1.5%, 2%) 등 4가지 마취 조건에서 뇌 혈류지표를 측정·계산해 쥐 MRI 뇌 영상에 맵핑한 영상과 수치 결과(그래프)
1)헤모글로빈(hemoglobin)은 적혈구에서 철을 포함하는 붉은 색 단백질로, 혈류를 통해 산소를 운반하는 역할을 한다. 헤모글로빈에 산소가 결합하면 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin)이며, 산소와 결합하지 않는 헤모글로빈은 디옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin)이다.
2024.03.20
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멍게 추출 ‘항암 치료제’의 숨겨진 메커니즘 찾았다
멍게 추출 ‘항암 치료제’의 숨겨진 메커니즘 찾았다
- IBS, 특정 유형 암세포 사멸로 항암 치료 효과 높인다 -
- 개인 맞춤형 항암 치료 전략 기대 -
일반적인 항암 치료에 사용되는 약물은 주로 암세포의 DNA를 공격해 세포의 증식을 억제한다고 알려져 있다. 하지만 암세포도 이에 대응해 약물로 인한 DNA 손상을 복구하는 기능을 활성화해 스스로 회복한다. 항암 치료가 어려운 이유다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 올란도 쉐러(Orlando D. SCHÄRER) 부연구단장 연구팀은 스위스 취리히 연방 공과대학교의 샤나스털라(Shana STURLA) 교수 연구팀과 공동으로 암세포의 DNA 회복을 막아 항암 치료에 활용되는 약물 ‘트라벡테딘’의 작용 기전을 규명했다. 암세포의 DNA 복구 기전에 따른 맞춤형 치료로 항암 치료 효과를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
트라벡테딘은 카리브해 멍게 엑티나시디아 터비나타(Ecteinascidia turbinata)에서 최초로 추출된 항암 약물이다. 대부분의 항암 치료에 사용되는 DNA 손상 유발 약물과 달리, DNA 복구 능력이 활발한 암세포에 대해 더욱 독성을 나타내는 특징을 갖는다. 그러나, 트라벡테딘이 구체적으로 어떤 메커니즘을 통해 항암 작용을 발휘하는지 명확한 메커니즘은 규명되지 못한 상태였다.
연구팀은 DNA 단일 가닥 절단까지도 미세하게 감지할 수 있는 고효율의 ‘코멧(COMET) 칩’ 실험으로 트라벡테딘의 효과를 비교, 분석했다. 그 결과, 자외선에 의한 DNA 손상은 뉴클레오타이드 절제 복구(Nucleotide Excision Repair; NER) 과정을 거쳐 곧 복구됐지만, 트라벡테딘에 의한 DNA 손상은 복구되지 않음을 확인했다.
또한, 연구진은 트라벡테딘에 의해 손상이 복구되지 않고 세포 독성이 나타나는 현상을 DNA 복구 핵심 메커니즘 중 하나인 ‘전사 결합 뉴클레오타이드 절제 복구(Transcription-Coupled Nucleotide Excision Repair; TC-NER)’가 활발한 세포에서 주로 관찰할 수 있었다. 일반적으로 TC-NER 과정은 DNA의 전사 1) 중 손상된 DNA 부분을 인식한 뒤, 손상 부위에 다양한 복구 단백질이 모여 복합체를 형성한다. 그 후, 색소건피증 단백질-F(XPF)와 색소건피증 단백질-G(XPG)에 의해 손상된 부위가 절단되고 제거되며 점차 복구하게 된다. 그러나 트라벡테딘은 TC-NER 과정 중 색소건피증 단백질-G(XPG)에 의한 DNA 절단 작용을 막아 복구 과정을 억제한다. 이로 인해 DNA 복구가 불완전한 상태로 남게 되어, 최종적으로 암세포의 사멸을 유도한다.
나아가, 연구진은 DNA 손상 부위를 유전체 전반에 걸쳐 확인하는 시퀀싱 방법(TRABI-Seq)을 통해 트라벡테딘에 의해 유발된 DNA 손상을 정확하게 식별하고 위치를 파악하는 데 성공했다. 이러한 정보는 트라벡테딘이나 다른 항암제가 암세포의 특정 유전자에 어떻게 작용하는지 이해하는 데 큰 도움을 준다. 특히 TC-NER이 활발한 암세포를 표적으로 하는, 환자 개개인의 암 특성에 따른 맞춤형 치료 전략으로 항암 치료 효과를 높일 수 있다.
손국 박사후연구원은 “이번 연구로 트라벡테딘의 작용 메커니즘을 더 깊이 이해할 수 있는 토대를 마련했다”라며, “특정 암세포 유형에 대한 트라벡테딘의 치료 효과를 높이는 가능성을 제시한다.”라고 말했다. 이번 연구와 같은 발견은 앞으로 트라벡테딘을 포함한 항암 치료제의 효과적인 사용을 위한 전략 개발에도 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
이 연구 결과는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 16.6)에 2024년 2월 15일 온라인 게재됐다.
[그림1] 항암제 트라벡테딘 트라벡테딘은 카리브해 멍게 엑티나시디아 터비나타(Ecteinascidia turbitana)에서 최초로 추출된 항암 약물로, 세포독성 DNA 부가물을 형성하는 것으로 알려져 있다. 이 약물은 연조직육종과 난소암 치료에 사용되며, 대부분의 항암제와는 달리, DNA 복구기능이 활성화된 세포에서 그 효과를 완전히 발휘한다.
[그림 2] 코멧(COMET) 칩 시험을 통한 DNA 단절 측정. 연구팀은 코멧(COMET) 칩 시험을 통해 트라벡테딘 유도 DNA 단절을 측정했다.
각각의 녹색 점은 단일 세포 핵을 나타내며, 핵에서 나오는 꼬리의 길이와 꼬리 내 전체 DNA의 비율은 형성된 단절의 수와 비례한다. (왼쪽) 자외선(UV) 처리 후, UV에 의한 손상은 뉴클레오타이드 절제 복구(NER)에 의해 DNA에서 제거 및 복구되므로 조금의 단절만 남아있다.
(가운데) 트라벡테딘 처리 후, 중단된 NER 반응으로 인해 DNA 단절이 지속됨을 볼 수 있다. 이러한 단절은 NER에 의존적이며, (오른쪽) XPF 유전자가 비활성화된 TC-NER 결핍 세포에서는 발생하지 않는다.
[그림 3] 트라벡테딘 유도 TC-NER에 의한 단절 형성 및 TRABI-Seq에 의한 단절 위치 확인 메커니즘 요약. 트라벡테딘-DNA 부가물은 TC-NER에 의해 인식되어 XPG 엔도뉴클레아제의 절단을 막음으로써 NER 반응의 실패를 유발하고, 이로 인해 XPF에 의한 지속적 단절을 발생시킨다. TRABI-Seq(TRABectidin-Induced break sequencing; 트라벡테딘 유도 단절 시퀀싱)은 이러한 단절들을 유전체 전반에 걸쳐 확인하는데 사용되었다. 이러한 지속적 단절의 분포는 주로 고도로 전사되는 유전체 영역에 위치한 것으로 나타났다. 이 방법은 앞으로 다양한 암 세포의 유전체에서 트라벡테딘이 DNA 단절을 유도하는 방식을 파악하고, TRABI-Seq을 암 치료의 진단 도구로 개발하기 위해 사용될 것으로 전망된다.
1) 전사(Transcription)는 DNA의 유전 정보를 RNA로 전달하는 생물학적 과정이다.
2024.03.13
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