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쥐가 움직일 때 변화하는 뇌 신경세포 관찰 성공

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2019년 01월 14일 19:00 프린트하기

허원도 IBS 인지및사회성연구단 연구위원(KAIST 생명과학과 교수). IBS 제공
허원도 IBS 인지및사회성연구단 연구위원(KAIST 생명과학과 교수). IBS 제공

국내 연구진이 살아있는 생쥐가 움직일 때 뇌의 어떤 신경세포가 활성화되는지 관찰할 수 있는 기술을 처음으로 개발했다. 이 기술을 이용하면 암이 전이될 때 암세포가 어떻게 움직이는지도 실시간으로 볼 수 있다. 

 

기초과학연구원(IBS) 인지및사회성연구단 허원도 KAIST 생명과학과 교수 연구팀은 다양한 세포 기능에 관여하는 신호전달 스위치 단백질의 활성화 과정을 실시간으로 볼 수 있는 ‘바이오센서’를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 14일자(현지시간) 온라인판에 게재됐다. 

 

세포의 신호전달 스위치 단백질은 마치 스위치가 켜지면 기계가 작동하듯 활성화하면 세포 기능을 제어한다. 대표적인 신호전달 스위치 단백질인 ‘small GTPase’은 세포의 이동이나 분열, 사멸, 유전자 발현 등에 관여한다. 이 단백질의 활성화를 추적할 수 있다면 세포 기능 발현의 중요한 단서를 얻을 수 있다. 

 

허원도 교수 연구팀은 광유전학을 적용해 small GTPase 활성화의 모든 과정을 실시간으로 볼 수 있는 바이오센서를 개발했다. 두꺼운 생체 조직 내에서도 수 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 변화까지도 정밀하게 볼 수 있다는 게 특징이다. 

 

과학자들은 지금까지 small GTPase 활성을 관찰하기 위해서 ‘형광공명에너지전달(FRET)’이라는 방식을 이용했다. 이는 2가지 형광단백질 간 형광 세기 변화 비율을 측정해 세포 활성화를 관찰하는 기법이다. 그러나 FRET 방식은 광유전학을 적용하기 어려웠다. 광유전학은 빛을 이용해 여러 단백질의 기능을 활성화할 수 있는 기술이다. small GTPase 활성을 관찰하는 데 필요한 광유전학 기술을 적용하면 FRET 기술에 사용되는 형광물질과의 광 파장이 겹쳐 관찰 대상의 세포 신호 변화를 보기가 어려운 한계가 있다. 

 

연구팀은 small GTPase 단백질을 확인할 수 있는 바이오센서를 개발했다. 두 종류의 파장(488nm, 561nm)으로 관찰이 가능한 바이오센서다. 청색광을 이용하는 광유전학 분야 파장과 겹치는 문제를 효과적으로 해결했다. 

쥐가 운동을 할 때 뇌 영역에서 실시간으로 small GTPase 단백질 활성을 관찰한 모습. 오른쪽 위 그림처럼 형광물질로 표시된 부분이 활성화된 단백질이다. IBS 제공.
쥐가 운동을 할 때 뇌 영역에서 실시간으로 small GTPase 단백질 활성을 관찰한 모습. 오른쪽 위 그림처럼 형광물질로 표시된 부분이 활성화된 단백질이다. IBS 제공.

연구팀은 유방암 전이 암세포에 이 바이오센서를 발현시키고 광유전학 기술로 암세포의 이동방향을 조절하자 small GTPase 단백질이 활성화된다는 사실을 확인하고 이를 실시간 이미지로 확보하는 데 성공했다. 특히 권형배 미국 막스플랑크 플로리다 연구소 박사 연구팀과 공동연구를 통해 살아있는 생쥐의 뇌 신경세포에서 small GTPase 단백질 활성을 관찰하는 데도 성공했다. 

 

허원도 교수는 “실험 쥐가 운동할 때 실시간으로 뇌 영역의 세포 활성화를 관찰할 수 있는 기술로 향후 세포신호전달 연구와 뇌인지과학 연구에 접목이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다. 

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