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Research

여러 단백질을 한눈에 본다...‘다중 단백질 질량분석 바이오 이미징’기술 개발

  • 조회. 856
  • 등록일. 2020.04.20
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 문대원 교수, 인수일 교수 공동연구팀, 세포 내 여러 종류의 단백질을 동시에 분석 가능한 질량분석 바이오 이미징 기술 개발
- 다중 단백질 이미징을 통한 다양한 의료 분야 질병 메커니즘 규명 기대 

문대원 뉴바이올로지전공 석좌교수(왼쪽), 인수일 에너지공학전공 교수(오른쪽 위), 박영호 에너지공학전공 박사과정생(가운데)

문대원 뉴바이올로지전공 석좌교수(왼쪽), 인수일 에너지공학전공 교수(오른쪽 위), 박영호 에너지공학전공 박사과정생(가운데) ⓒDGIST


 국내 연구진이 여러 종류의 세포막 단백질을 동시에 관찰하며 분석할 수 있는 질량분석 바이오 이미징 기술을 세계 최초로 개발했다. 이번 연구결과는 기존의 형광 분광 기반 바이오 이미징 기술의 한계를 넘어, 복잡한 질병 메커니즘 등을 규명하고 조기 진단하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

 DGIST는 뉴바이올로지전공 문대원 석좌교수, 에너지공학전공 인수일 교수 공동연구팀이 산화금속 나노입자를 접합시킨 항체를 이미지화시켜 마이크로미터 이하의 공간 분해능으로 단백질을 관찰하는 ‘다중 단백질 질량분석 바이오 이미징 기술’을 개발했다고 20일(월) 밝혔다.

 바이오 이미징 기술은 세포에서 일어나는 현상을 영상으로 볼 수 있게 만드는 기술이다. 질병의 조기 진단이나 신약개발 등에 필요한 핵심 기술로써 생명공학, 물리, 화학, 기계 전자와 같은 여러 분야의 융합이 필수적이다. 현재 주로 사용되는 바이오 이미징 기술은 형광 물질을 단백질에 입혀서 관찰하는 방법인데, 광학 기술의 한계 때문에 동시에 관찰 가능한 단백질은 3~4가지 정도로 분석의 한계가 있었다. 

 이에 DGIST 연구팀은 SIMS 분석법(Secondary Ion Mass Spectrometry, 2차 이온 질량 분석법)을 적용해 세포막에 존재하는 여러 종류의 단백질을 관찰하는데 성공했다. SIMS 분석법은 가속 이온을 이용해 주로 반도체 제조를 위한 극미량의 불순물 분석에 활용되는 기술인데, 최근에는 바이오 이미징 기술에 적용하려는 연구가 활발하다. 하지만 가속 이온의 파괴적인 특성 때문에 지질 분자 이미징 정도만 가능했고, 단백질 이미징은 불가능해 SIMS 분석법을 통한 바이오 이미징 연구가 제한적이었다.

 연구팀은 SIMS 분석법이 수십 종의 산화금속을 분석하고 이미징 할 수 있다는 데 착안했다. SIMS 분석 시 감도가 매우 높은 수십 나노미터(nm)1) 크기의 산화금속 나노입자를 항체에 접합시킨 후, 이 항체를 단백질(항원)과 결합시켰다. 그런 다음 SIMS 분석을 통해 단백질에 결합된 산화금속 나노입자를 300 나노미터 분해능으로 이미징 해 세포막에 존재하는 여러 종류의 단백질을 동시에 볼 수 있게 했다. 연구팀은 실제 알츠하이머 모델 실험쥐의 해마 조직에 적용해 보았고, 알츠하이머 병에 관여하는 것으로 보고된 7종의 단백질 이미지를 동시 관찰할 수 있었다. 또한 알츠하이머 병이 진전되면서 여러 단백질들의 분포가 어떻게 변화하는지 규명했다.

 DGIST 문대원 석좌교수는 “이번에 개발한 기술을 통해 기존 형광 분광 이미징 기술보다 이미지화 할 수 있는 단백질 분자의 수를 증가시켰으며, 금속 산화물 나노입자의 높은 SIMS 감도를 활용해 시료 손상을 최소화해 세포막에서의 단백질 상호 작용 관찰을 가능하게 했다.”며 “여러 단백질이 관여하는 복잡한 질병 기전 연구에 기여할 새로운 바이오 이미징 기술이 될 것이다.”고 밝혔다. 

 이번 연구 결과는 국제과학저널 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 4월 15일자 표지논문으로 게재됐다.

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1) 나노미터(nanometer) : 빛의 파장을 나타내는 단위. 1나노미터는 1미터의 10억분의 1. 기호는 nm.

 

 

    연구결과개요 

Multiplex Protein Imaging with Secondary Ion Mass Spectrometry Using Metal Oxide Nanoparticle-Conjugated Antibodies
Dae Won Moon,*,○ Young Ho Park,○ Sun Young Lee, Heejin Lim, SuHwa Kwak, Minseok S. Kim, Hyunmin Kim, Eunjoo Kim, Yebin Jung, Hyang-Sook Hoe, Sungjee Kim, Dong-Kwon Lim, Chul-Hoon Kim, and Su-Il In*

 최근 질량 분석법 이미징 기술의 발전에도 불구하고, 생명 현상 및 질병 메커니즘의 정확한 이해를 위한 복잡한 세포 및 생체 내 분자 상호 작용을 이해하기 위해서는 고분해능 다중 단백질 바이오 이미징 기술을 필요로 한다. 본 연구에서는 산화 금속 나노 입자의 높은 2차 이온 수율로 인해 이온 빔 손상 없이 낮은 이온 선량에서 300 nm 이하의 공간해상도로 이미지를 제공한다. 산화 금속 나노 입자와 접합된 항체를 사용하여 단백질의 이미지화가 가능하며, 특히 다양한 산화 금속 나노 입자를 사용하여 세포막에서의 여러 단백질을 동시 이미지화 할 수 있다. 우리는 개발된 이미징 기술을 대조군과 알츠하이머 질병을 가진 모델 쥐의 해마 조직 샘플 연구에 적용하여 해마 CA1 영역에서 단백질 클러스터의 노화와 알츠하이머 질병 간의 상관관계를 확인하였다. 개발된 고분해능 다중 단백질 바이오 이미징 기술이 단백질 클러스터 세포 수준의 병리학 현상에 대한 이해에 도움을 줄 것이라 생각된다. DOI : 10.1021/acsami.9b21800

 

    연구성과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존의 단백질 이미징 기술의 경우, 형광 물질을 활용하여 동 시간에 분석이 가능한 단백질의 수가 3~4가지 정도로 한정적이었다. 본 개발 기술을 통해 6가지 또는 그 이상의 세포막 단백질을 동시에 300 nm 분해능으로 이미징하여 단일 세포 수준의 세포막 단백질 다중 상호작용을 통한 병리현상 이해가 가능하도록 하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
세포와 조직을 파쇄하여 여러 세포들의 평균 생체 분자 조적을 분석하는 기존 바이오 질량분석법과 달리 단일 세포 하나 하나의 다중 단백질 이미징 분석을 할 수 있다. 단일 세포 수준의 생명 현상 및 질병에 대한 이해를 높일 수 있다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
상용화를 위해 항체 및 단백질에 요구되는 수십 종의 산화 금속 나노 입자의 합성 기술과 항체와 산화금속 나노입자 표면과의 더 많은 특이 결합 기술 개발이 필요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
SIMS 기술은 반도체 불순물 분석에 널리 사용되어 왔고 최근 바이오 분석에 활용되어 지질 분자 이미징에는 매무 성공적인 성과를 내고 있지만 단백질 분자 이미징은 불가능하여 SIMS 기술의 바이오 활용에 제한점이 컸다. 이 한계점을 극복하여 반도체 산업 뿐 아니라 바이오 의료 산업 분야에도 널리 활용되는 SIMS 기술을 개발하고자 하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
본 연구는 DGIST를 중심으로 포항공대, 한국뇌연구원, 고려대, 연세대, 등 5개 기관 8개 연구실이 협력하여 수행한 융합 연구로 SIMS 분석 기술, 나노입자 합성 및 표면 개잘, 항체 결합, 알츠하이머 질병 연구 및 실험쥐, 등 다양한 나노 바이오 분야의 연구실들이 5년이라는 긴 기간에 걸쳐 꾸준히 협력 연구를 수행하여 새로운 바이오 이미징 기술을 개발하고 혁신적인 질병 기전 가능성을 보여준 점이 큰 의미가 있다.

Q,. 꼭 이루고 싶은 목표는?
SIMS는 진공 기술로 세포와 조직을 고화 건조시켜 진공 환경에 도입하여 분석을 할 수 밖에 없다. 세포와 조직을 고화 건조 시키지 않고 진공에서 분석하여 세포 본래의 상태에 대한 정보를 얻고자 한다. 단일층 그래핀을 이용하여 이미 상당한 수준의 예비 결과를 내고 있다.


 

    그림 설명 

[그림 1] ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 에 표지논문으로 실린 분석 모식도

‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 에 표지논문으로 실린 분석 모식도.

(그림설명) 다중 단백질 질량분석 바이오 이미징 기술을 이용한 세포막 내 단백질을 항체와 접합된 산화 금속 나노 입자를 통해 분석되는 모식도. 
항체와 접합된 산화 금속 나노입자가 특정 단백질에 항체를 통해서 결합된다. SIMS분석을 통해 가속 이온빔을 쏘면 산화 금속 나노입자에서 2차 이온이 발생하여 각 산화 금속 나노입자를 분석하게 된다. 분석된 나노입자를 통해 다중 단백질의 이미지화가 가능하도록 한다.

 

[그림 2] 쥐 해마 조직의 ‘CA1’ 영역에 존재하는 시냅스 단백질을 SIMS 분석법으로 이미징한 영상. 

쥐 해마 조직의 ‘CA1’ 영역에 존재하는 시냅스 단백질을 SIMS 분석법으로 이미징한 영상.

(그림설명) SIMS 이미징 영상에서 보이는 항체에 입힌 나노입자의 색을 통해 신경세포 시냅스 단백질 6종을 동시에 이미징 할 수 있다. 

 

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