지금까지 소포의 수송 원리, 소포와 세포 소기관의 상호작용 분석 등의 연구는 형광 현미경을 주로 사용했습니다. 형광 현미경을 이용하면 형광 표지된 특정 소포들의 수송 과정만 관찰할 수 있고, 신호가 유지될 수 있는 제한된 시간 내에서만 관찰할 수 있는 한계가 있었는데요. 기초과학연구원의 분자 분광학 및 동력학 연구단이 살아있는 세포 속에서 활발하게 이동하고 있는 소포의 움직임만을 선택적으로 추적할 수 있는 고해상도 비표지 간섭산란 현미경을 개발해 생명현상을 미시적 관점에서 생생하게 밝혀낼 것으로 기대됩니다. 참여 연구진이 연구의 의미를 이해하기 위해 알아야 할 개념에 대해 직접 알려드립니다.

아주 작으면서도 복잡한 세포 속 환경과 그 속에서의 물질 수송

하나의 세포는 사람의 눈에는 보이지도 않을 정도로 매우 작지만, 현미경으로 들여다 보는 세포 속 세상은 수많은 물질들로 가득 차 있을 뿐 아니라, 물질들 간의 상호작용이 활발하게 일어나는 매우 복잡한 세상입니다. 세포 속 물질 수송이라고 하는 것은 이러한 복잡한 환경 속에서 세포의 생성과 생장에 필수적인 물질들을 수송하는 과정을 말합니다.

세포 속 적시적소의 장소에 필요한 물질을 정확히 배송하기 위해서, 세포는 먼저 단백질, 호르몬, 신경 물질 등을 얇은 지질막으로 둘러싸인 작은 주머니 모양의 소포(vesicle)에 담습니다. 그리고, 세포 속 도로망이라고 할 수 있는 마이크로튜불(microtubule)과 액틴(actin) 필라멘트 단백질 네트웍망을 따라서 움직이는 모터 단백질을 이용해 소포를 배송하게 됩니다. 이 과정에서 소포가 엉뚱한 곳으로 배송 되거나 운송이 지연되는 상황이 발생할 수도 있는데, 최근 다 수의 연구 결과에 따르면 이러한 물질 수송 과정에서의 문제가 신경퇴행성 질환의 발병과 밀접하게 연관되어 있음이 밝혀지고 있습니다.

복잡한 세포 속에서 이동하는 작은 소포 수송을 관찰하는 방법

앞서 말씀드린 것처럼, 세포 속 세상은 너무나도 작고 복잡한 환경이기 때문에, 이 속에서 수송되고 있는 소포만을 추적해서 관찰하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 현재 대다수의 연구자들은 소포의 수송 원리와 과정을 이해하기 위해서 형광 현미경을 이용한 영상 방식을 이용하고 있습니다. 이는 우리가 관심 있는 특정 소포를 구성하고 있는 생체 물질에만 선택적으로 결합할 수 있는 형광 물질을 이용해 소포 대신에, 소포에 부착된 형광 물질에서 나오는 형광 신호를 추적하는 방식이라 할 수 있습니다.

세포 속 물질 수송 현상의 연구에 있어서 형광 현미경을 이용한 연구가 성취해 온 업적들은 일일이 나열하기 어려울 정도로 많습니다. 그러나, 형광 영상 방법의 특성상 형광 표지가 된 특정 소포들만 볼 수 있고, 형광 신호가 유지되는 제한된 시간 내에서만 관찰할 수 있다는 한계가 있습니다.

이러한 상황은 다음과 같은 비유로 좀 더 쉽게 설명할 수 있을 것 같습니다. 어두운 밤에 어느 한 도시가 정전이 되었습니다. 이 때 도시 속 어느 장소에 헤드라이트를 키고 있는 자동차 한 대가 멈춰 선 상태로 있습니다. 멀리 떨어져 있는 관찰자의 입장에서 보면, 정전이라는 상황은 오히려 헤드라이트를 키고 있는 자동차의 현재 위치를 아주 정확하게 파악하는 데에 도움을 줍니다. 반면, 왜 이 차량이 그 곳에 멈춰 있는지 그 이유를 알려면, 자동차의 주변 상황을 파악해야 할 텐데, 정전으로 인해 주변이 어두워져 있기 때문에 이를 알 도리가 없습니다. 그리고, 멈춰 선 자동차의 배터리가 방전되고 나면, 자동차의 위치마저도 확인할 수 없는 상황이 되겠죠. 바로 이러한 상황이 형광 현미경을 이용한 연구 방법에 있어서의 단점이라 할 수 있습니다.

간섭산란 현미경을 이용해 살아 있는 세포 속 소포 수송 과정을 관찰하기

간섭산란 현미경은 나노 크기의 입자 또는 생물 분자가 빛에 노출되었을 때, 이들로부터 산란되어 나오는 아주 작은 양의 빛의 신호를 고감도로 측정할 수 있는 영상 장비입니다. 우리 연구단에서는 지난 5~6년 간 세포 영상 연구에 적합한 간섭산란 현미경 개발을 위해 지속적인 노력을 해 왔습니다. 간섭산란 현미경은 형광 분자의 표지 없이도 세포 속에서 단백질 도로망을 따라 수송되고 있는 소포들의 위치를 빠른 속도로 장시간 추적할 수 있을 뿐 아니라, 소포들이 위치한 주변 환경에 대한 정보 또한 동시에 획득할 수 있습니다. 그리고, 이 과정에서 획득한 수 많은 소포들의 위치 정보를 이용하면 세포 속 단백질 도로망의 공간적 분포를 고해상도로 재구성하는 것 또한 가능합니다.

[그림 1] 간섭산란 현미경을 이용해 관찰된 세포 속 소포들의 트래픽 현상. 각각의 영상은 초당 50장의 속도로 180초 동안 촬영한 영상으로 얻은 소포들의 이동 위치로부터 재구성한 것입니다. 영상 내 색상은 각각의 고정된 픽셀 위치에서 해당 시간 동안 관찰된 소포들의 개수를 나타내는 것인데, 세포 단백질 도로망 상에서의 소포 트래픽 밀도(traffic density)를 보여주는 것이라 할 수 있습니다.

세포 속 ‘우편배달부’도 교통 체증 겪는다

논문명 Long-term cargo tracking reveals intricate trafficking through active cytoskeletal networks in the crowded cellular environment

간섭산란 현미경을 이용한 소포 수송 현상 연구를 통해 과거에 구체적으로 알려진 바가 없었던 다수의 흥미로운 현상들이 관찰되었습니다. 그 중 하나는, 소포들의 밀도가 밀집되어 있는 세포 속 특정 영역에서는 도시의 출퇴근 길에서 일상적으로 경험하는 것과 유사한 수송 정체 현상이 나타난다는 사실이었습니다. 그러나, 이와 동시에 세포는 여러 개의 소포들을 함께 동일한 방향으로 이동시키는 집단적 수송 방식, 이미 수송 중인 소포 뒤에 달라붙어 함께 이동하는 히치하이킹 수송 방식 등의 흥미로운 방식들을 활용해 이러한 세포 속 정체 현상을 효과적으로 극복하기 위한 수송 전략을 갖추고 있음도 확인되었습니다. 결론적으로, 세포 또한 대도시 사람들이 도로 위에서 일상적으로 경험하는 교통 체증 현상을 겪고 있을 뿐 아니라, 이러한 교통 체증 문제를 극복하기 위해 채택하고 있는 효율적 수송 전략 또한 인간 사회와 매우 유사하게 닮아 있다는 사실입니다.

[그림 2] 서울 내부 및 외곽 도로망으로 표현된 세포 속 소포들의 트래픽 현상. 세포 속에서 관찰된 소포 수송 과정에서의 트래픽 현상은 대도시의 인간 사회에서 흔히 경험하는 도로 트래픽 현상과 매우 닮아 있음이 확인되었습니다. 이에, 세포 내부를 구성하고 있는 단백질 도로망의 구조를 서울시 내부 및 외곽의 도로망 구조를 따라 구현하여 보았습니다. 도로망 위의 빨간 색 구간은 트래픽이 심한 구간을, 그리고 초록색 구간은 교통 흐름이 원활한 구간을 의미합니다.

복잡한 세포 속 환경에서의 효율적 소포 수송 전략을 이해하기

우리 연구단이 개발한 간섭산란 현미경에는 형광 표지된 세포 속 특정 분자를 동시에 관찰할 수 있는 형광 현미경 장비도 함께 결합되어 있습니다. 즉, 고속 그리고 고해상도 간섭산란 영상 취득 방법에 더하여 화학 선택적 형광 영상 기법을 결합함으로써 관찰의 정확도를 더욱 높인 것입니다. 앞으로 세포가 트래픽 문제를 극복하기 위해 채택하고 있는 효율적 수송 전략들을 더욱 구체적으로 이해해서, 이러한 현상이 실제 세포의 생명 현상과 어떻게 연관되어 있는지를 밝히는 데에 기여하고자 하는 바램입니다

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