Research

[POSTECH 연구팀, 세포 내 단백질의 비밀 밝히는 초광안정적인 유기형광분자(PF555) 개발]

 POSTECH 연구팀이 8톤의 광석에서 0.1그램의 라듐을 분리해 노벨상을 받은 마리 퀴리와 같은 집념으로 2년간의 연구 끝에 초광안정인 유기형광분자를 정제하는 데 성공하며, 기존 형광물질의 한계를 극복했다.

 '단일분자 이미징(single molecule imaging)'은 형광 표지(marker)를 이용해 단백질의 움직임을 단일 분자에서 정밀하게 관찰하는 기술로, 세포생물학, 생화학, 분자생물학, 신약개발 연구 분야에서 널리 활용되고 있다. 그러나 표지를 위한 기존 유기형광분자는 광안정성이 낮아 연구에 제약이 있었다. 빛에 노출되면 쉽게 분해되거나 형광 특성을 잃는 '광표백(photobleaching)' 현상으로 인해 장시간 관찰이 필요한 세포 내 단백질 움직임이나 복잡한 생체 반응을 완전히 추적하기 어려웠기 때문이다.

 류성호 교수팀은 단일분자 이미징 중 우연히 광청변화(photoblueing)^*1  현상을 통해 ‘초광안정적인’ 형광분자가 생성되는 것을 확인했다. 그리고, 장영태 교수팀과의 협력을 통해 질량분석 및 핵자기공명분석으로 이 분자의 구조를 밝혀내고, ‘Phoenix Fluor 555(이하 PF555)’로 명명했다.

 PF555는 기존 형광물질보다 광안정성이 뛰어나 개별 단백질(단일 분자 수준)뿐만 아니라 여러 단백질(대량 수준, bulk)을 동시에 관찰할 때도 효과적으로 사용될 수 있으며, 산소의 농도에 영향을 받지 않고, 긴 광표백 수명^*2 을 유지했다. 

 연구팀은 PF555를 활용해 기존에는 불가능했던 단백질의 세포내이입과 다른 단백질과의 상호작용과정을 정밀하게 분석했다. ‘상피세포 성장인자 수용체 단백질(이하 EGFR^*3 )’은 세포 성장과 분화에 중요한 역할을 하는데 연구팀은 이 단백질이 세포막 CCS^*4 구조에 갇혀있는 상태뿐만 아니라 주변을 탐색하는 상태도 존재함을 발견했다. 이는 EGFR이 CCS 주변을 돌아다니며 외부 신호를 감지하거나 다른 분자와의 상호작용을 조율할 가능성을 시사한다. 또한, PF555의 우수한 광안정성 덕분에 연구팀은 기존 형광물질로는 추적하기 어려웠던 EGFR의 세포내이입과 재활용 전 과정을 명확하게 구분하여 관찰하는 데도 성공했다.

 류성호 교수는 “PF555는 이전에 보고된 적 없는 초광안정적인 유기형광분자로, 시간적 제약 때문에 관찰이 어려웠던 생명현상을 가능하게 할 것”이라는 말을 전했다. 장영태 교수도 “PF555의 놀라운 안정성이 유기형광분자 연구의 새로운 기준이 될 것”이라며, 신약 개발, 질병 진단, 세포 이미지 분석 등 다양한 분야에서의 활용 가능성을 강조했다. 

 한편, 이번 연구는 생명과학과 류성호 교수, 김도현 박사, 홍 민 트리엣(Hong Minh Triet) 박사 연구팀과 화학과 장영태 교수, 융합대학원 이순혁 박사 연구팀이 공동으로 진행했다. 최근 생화학 연구 분야 세계적 학술지인 ‘네이처 메소드(Nature Methods)’ 온라인판에 게재됐으며, 한국연구재단과 기초과학연구원, 글로컬 사업의 지원으로 수행됐다. 

https://doi.org/10.1038/s41592-024-02584-0

1. 광청변화(photoblueing): 형광 염료가 빛에 의해 분해되거나 구조 변화로 인해 방출 스펙트럼이 청색 쪽으로 이동하는 현상을 말한다.

2. 광표백 수명(photobleaching lifetime): 형광 물질이 빛에 노출되어 비가역적으로 소멸되기까지의 지속 시간을 의미한다.

3. EGFR: epidermal growth factor receptor

4. CCS(clathrin-coated structures): 세포 내에서 클라트린 단백질로 덮인 막의 구조로, 주로 소포 수송 과정에서 관찰된다.