민물장어 형광단백질 이용한 세포 장기 관찰법 개발

조선비즈
  • 김태환 기자
    입력 2020.02.04 12:00

    국내 연구진이 민물장어의 형광단백질을 이용해 살아있는 세포 구조를 기존보다 8배 오래 관찰할 수 있는 초고해상도 형광현미경법을 개발했다.

    심상희 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 교수 연구팀은 서울대, 울산과학기술원 등과의 공동 연구를 통해 형광 현미경의 한계를 극복하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

    UnaG 단백질과 빌리루빈은 각각 형광을 발광하지 못하나, 결합 후 밝은 녹색 형광을 내는 형광단백질이 된다(a). UnaG 형광단백질 수용액에 강한 청색광을 쪼여주면 형광이 꺼졌다가 빌리루빈 용액을 처리하면 형광이 되살아난다. 이러한 광표백-형광회복 사이클은 여러 번 반복될 수 있다(b). /기초과학연구원 제공
    생체 기본단위인 세포는 수 나노미터 크기의 다양한 분자들이 역동적으로 변화하는 공간이다. 이 세포 속 구조를 관찰하면 생명의 비밀을 풀 수 있다. 이 때 초고해상도 형광현미경을 사용한다.

    하지만 지금까지 초고해상도 형광현미경은 현미경에 들어가는 형광 단백질이 반복적으로 빛에 노출될 경우 형광이 사라지는 현상이 나타난다는 한계가 존재했다. 형광이 사라지면 장시간 관찰이 어려워 세포의 비밀을 밝히는 일도 불가능하다.

    일반적인 형광 단백질은 빛에 자주 노출되면 형광 기능이 사라진다. 주로 내부의 아미노산을 발광체로 사용하는데 빛을 받으면 이 단백질 구조가 손상되는 광표백 현상이 발생하는 것이다. 때문에 아미노산이 아닌 다른 발광체를 사용하는 형광 단백질을 이용한 것이 이번 연구의 핵심이다.

    연구진은 민물장어에서 추출한 형광단백질 ‘우나지(UnaG)’를 이용해 장시간 살아있는 세포를 관찰할 수 있는 현미경법을 고안했다. 우나지는 2013년 일본 이화학연구소에서 발견된 최초의 척추동물 유래 형광단백질이다.

    우나지의 경우 단백질 내부의 아미노산 대신 외부 대사물질인 ‘빌리루빈’을 발광체로 사용한다. 빌리루빈은 적혈구의 헤모글로빈이 분해되면서 생성되는 치자색 색소로 우나지 단백질과 결합하면 밝은 녹색의 빛을 낸다.

    연구진은 우나지 단백질과 빌리루빈 결합체에 청색 불빛을 쪼이면 광표백 현상이 일어나 형광이 꺼지고, 여기에 다시 빌리루빈을 결합하면 형광 불빛이 나온다는 사실을 밝혀냈다. 광표백 이후에도 우나지 단백질 자체 구조는 손상되지 않아 청색광 조절 여부에 따라 형광 신호를 끄고 켤 수 있는 것이다.

    특히 이 우나지를 초고해상도 형광현미경에 사용하면 형광 불빛을 조절하면서 초고해상도의 이미지를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 세포 내 구조에 우나지를 표지하고 청색광을 쪼여 형광을 끈 뒤, 빌리루빈과의 재결합을 통해 일부 우나지만 형광이 켜지도록 조절하는 방식이다.

    이를 통해 기존 형광현미경보다 약 8배 오래 세포를 관찰할 수 있는 것으로 나타났다. 살아있는 세포를 관찰하면서 형광이 사라질 걱정없이 초고해상도 동영상 촬영이 가능해졌다는 의미이다.

    더구나 우나지는 기존 형광 단백질에 비해 크기가 절반 수준으로 분자들의 위치를 고밀도로 나타낼 수 있어 현미경 해상도를 높일 수 있다는 장점도 가졌다. 여기에 연구진은 레이저 세기와 용액 내 산소농도를 통해 형광이 꺼지고 회복하는 반응속도를 조절하는데도 성공했다.

    심상희 교수는 "초고해상도 형광현미경으로 살아있는 세포의 동영상을 촬영하는 데 걸림돌이 돼 왔던 광표백 한계를 극복한 기술"이라며 "이 기술이 향후 장시간 관찰이 필요한 생체 나노구조 파악 및 생명현상 연구의 발전에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

    이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communication, IF 11.880)’ 1월 14일자 온라인판에 실렸다.

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