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[고등학생 기자단 포커스 17]

손민주 교수님을 만나다

글. 청원고등학교 고지운 x 산남고등학교 최신우

안녕하세요! 포커스 17기 청원고등학교 고지운, 산남고등학교 최신우입니다. 이번 포커스에서는 생물학적 시스템을 이해하기 위해 단일 분자 접근 방식을 이용한 나노 역학 연구를 진행하고 계신 포스텍 물리학과 손민주 교수님을 만나, 생물물리 연구에 대한 이야기를 들어보았습니다. 그럼, 인터뷰 내용을 살펴보겠습니다.

Q.  생물물리는 어떤 학문인지 소개해 주실 수 있을까요?

A.  물리학은 사물의 이치를 탐구하는 학문입니다. 그리고 생물학은 생명 현상에 대해 관심을 가지고 연구하는 학문입니다. 그러니 생물물리학은 생명 현상에 관여하는 사물의 이치를 탐구하는 학문이라고 정의할 수 있습니다. 대개 생명 현상에 관여하는 대상은 DNA나 단백질과 같은 나노 스케일의 분자들이기 때문에, 이러한 분자들을 기술적으로 추적하고 그 상호작용을 관찰하는 것은 매우 어려운 일입니다.

Q.  물리학과에서 생물을 연구할 때, 생물학적 사고방식과 물리학적 사고방식이 가장 다르다고 느끼신 점은 무엇인가요?

A.  보통 생명과학 분야에서 연구할 때는 어떤 생명 현상 자체에 초점이 맞춰진 경우가 많은 것 같아요. 예를 들면, 어떤 질병에 있어서 A라는 단백질이 중요한 인자라는 것을 밝히는 등, 규명하는 연구 자체로서 그 중요성이 매겨지는 편입니다. 반면 생물물리학에서는 이 현상의 근본이 되는 물리적 원인과 기반이 무엇인지에 대해 조금 더 관심을 두는 것 같습니다.

Q.  교수님께서는 학부 때 화학과를 전공하신 걸로 알고 있는데, 생물물리를 선택하시게 된 특별한 이유를 듣고 싶습니다.

A.  사실 특별한 이유가 있었던 것은 아닙니다. 공부하다 보니 자연스럽게 생물물리라는 분야를 선택하게 되었습니다. 학부 때 화학과를 전공하면서 물리화학에 관심이 있어 물리화학 연구실에서 연구를 경험했습니다. 그러다 우연히 생체 분자를 물리화학적으로 접근하는 연구를 접하게 됐습니다. 단분자 FRET 기술을 이용해 생체 분자의 구조 변화를 연구하는 분야를 소개받았는데, 그게 생물물리를 처음 접한 계기였습니다. 이후 대학원에서도 물리화학을 전공했는데 지도교수님께서 물리학을 전공하셨고, 생체 분자를 대상으로 단분자 연구를 하고 계셨습니다. 그러다 보니 연구 분야가 점차 생물물리로 옮겨가게 됐습니다. 화학을 공부하면서 물리학과 생명과학 모두에 관심이 있었고, 그 접점을 찾아가다 보니 결국 생물물리로 이어진 것 같습니다.

타우 단백질 응집으로 축삭 내 신경섬유 엉킴 형성, 시냅스 소포 수송 장애

Q.  교수님께서 연구하시는 타우 단백질은 고정된 3차 구조가 없는 IDP 단백질이라고 알고 있는데, 타우 단백질의 이런 구조적 특성이 DNA와의 응집체 형성이나 미세소관과의 상호작용에 미치는 영향이 궁금합니다.

A.  타우 단백질은 신경세포에서 많이 발현되고 알츠하이머와 같은 퇴행성 뇌 질환 등에도 영향을 미쳐 중요한 역할을 합니다. 최근에는 DNA와의 상호작용도 연구되고 있는데요, 타우와 DNA의 결합을 보면 DNA의 음전하와 타우의 양전하 사이의 정전기적인 인력이 크게 기여합니다. 대부분의 단백질은 3차원적인 구조가 형성되고 그 구조가 해당 단백질의 기능에 있어서 중요한 기반이 됩니다. 그런데 타우와 같이 비정형적인 구조를 갖는 IDP의 경우에 여러 부분이 많이 노출되어 있어 상호작용을 할 가능성도 높아집니다. 또한, 응집 상태가 에너지적으로 더 안정하기 때문에 비정형 단백질은 응집하는 경향이 있습니다. 또 타우가 미세소관에 붙는 현상도 발생합니다. 기능적으로 타우의 특정 부분이 미세소관의 결합에 중요한 역할을 합니다. 그런데 타우가 DNA에도 붙고 미세소관에도 붙다 보니까 이것이 덩어리가 졌을 때 양쪽이 동시에 붙을 수가 있는 거죠.

Q.  타우가 중심절과 같은 DNA의 특정 영역에 더 많이 결합하는 현상은 어떻게 설명할 수 있나요?

A.  X자 모양의 염색체가 분열할 때 그 중심이 되는 부위를 중심절이라고 부릅니다. 세포 분열 과정에서 그 부분에 미세소관이 결합해 그 위치를 기준으로 염색체가 둘로 나뉘어야 하므로 굉장히 중요한 역할을 합니다. 이때 특이하게 타우의 DNA 결합 능력이 그 중심절 부분에서 매우 극대화되는 것처럼 관찰되었습니다. 그러나 이 중심절 영역에는 뉴클레오솜이나 염색체의 구조가 특별하다고 알려져 있어요. 타우가 그 부위의 서열이나 단백질들을 더 선호하기 때문에, 중심절에 더 많이 모이는 것으로 보입니다. 또 미세소관이 그 부분에 결합하다 보니, 타우도 그 영역을 선호하게 되어 점진적으로 타우가 중심절 쪽으로 몰려간다고 해석하고 있습니다.

Q.  타우와 DNA의 상호작용을 연구하시면서, 예상과 다른 결과가 나왔던 순간이 있었는지 궁금합니다.

A.  이 연구는 사실 시작부터 예상과 달랐어요. 처음부터 타우와 DNA의 결합을 연구하려던 것은 아니었습니다. 원래는 비정형 단백질로서 타우의 구조적 성질을 보고 싶어서 자기 집게를 이용해서 타우의 구조를 관찰하고 싶었습니다. 그러기 위해서는 이 타우 끝에다 DNA를 붙여서 마치 핸들처럼 이용해야 해요. 그래서 타우하고 DNA를 화학적으로 결합하려고 해봤더니 타우와 DNA의 인력이 너무 세서 합성이 원하는 대로 잘되지 않는 거예요. 그렇게 예상치 못한 방식으로 시작된 연구였기 때문에, 시작부터 뜻밖의 연구였다고 할 수 있습니다.

Q.  마지막으로 생물물리 분야를 꿈꾸는 학생들에게 해주고 싶으신 말씀이 있으신가요?

A.  저는 고등학생 때 생물물리라는 분야가 있다는 것도 몰랐고 주어진 공부를 하다 보니 생물물리라는 분야를 선택하게 된 것입니다. 생명 현상은 매우 복잡하고 아직도 우리가 모르는 것이 많습니다. 특히 생물물리는  이러한 현상을 물리학적으로 접근해 그 원리를 설명하는 학문이기 때문에 앞으로도 연구할 주제가 많이 남아 있습니다. 그래서 이 분야에 관심 있는 학생이라면 그 호기심을 계속 유지하면 좋겠습니다. 또한 학생 때는 정답을 찾는 문제를 많이 풀게 되지만, 어떤 현상을 그대로 받아들이기보다 새로운 질문을 만들어 보는 연습을 한다면 훗날 연구자로 성장하는 데 큰 도움이 되리라 생각합니다.

지금까지 포스텍 물리학과 손민주 교수님과의 인터뷰였습니다. 흔쾌히 인터뷰에 응해주신 손민주 교수님과, 인터뷰 진행에 도움을 주신 차윤서 알리미께도 진심으로 감사드립니다. 그리고 촬영에 도움을 주셨던 모든 분께도 감사드립니다.