Korean Biophysical Society Newsletter · 생물학을 위한 홑분자 분광학 기술들 홍성철 (서울대학교 물리천문학부) Protein-protein interaction in the initiator

한국생물물리학회 Korean Biophysical Society

Newsletter 제 12 권 제 2 호 2007 년 2 월

한국생물물리학회 Newsletter 제12권 제2호 2007년 2월 발행 361-763 충북 청주시 흥덕구 개신동 12번지 충북대학교 자연대학 화학과

발행인: 강영기 (Tel: 043-261-2285 Fax: 043-273-8328 e-mail: [email protected]) 편집기획: 허원기 (Tel: 02-880-9243 Fax: 02-873-4740 e-mail: [email protected])

프렛(FRET)의 응용 (p. 9)

회 장 단

회 장 강영기 (충북대)

총무간사 이주련 (숭실대)

학술간사 오한빈 (서강대)

재무간사 구용숙 (충북대)

편집간사 허원기 (서울대)

회원간사 정성권 (성균관대)

운 영 위 원

강사욱 (서울대)

김경태 (포항공대)

김도한 (광주과학기술원)

김양미 (건국대)

김영기 (충북대)

김혜원 (울산대)

박철승 (광주과학기술원)

엄융의 (서울대)

유명희 (한국과학기술연구원)

유연규 (국민대)

채수완 (전북대)

감 사

엄대용 (성균관대)

학회소식

[국외 생물물리학연구실 소개] Alan Verkman Laboratory (UCSF) 김중경 (국민대학교 기계자동차공학부)

[총설] 생물학을 위한 홑분자 분광학 기술들 홍성철 (서울대학교 물리천문학부)

Protein-protein interaction in the initiator caspase activation 양진국 (숭실대학교 화학과)

[국내 생물물리학연구실 소개]

건국대학교 구조화학연구실 김양미 교수 연구실 울산대학교 의과대학 생리학교실

Page 2 Biophysical Society Newsletter

(1) 2007년도 신임회장 및 간사진 인수인계

2007년도 신임회장 및 간사진 인수인계회의가 1월 4

일 서울에서 있었다. 또한 이 날 회의에서는 2007년도 학

술 회의의 주제 선정과 연사 섭외, 뉴스레터 투고자 섭외

에 대한 논의가 있었다. 2007년-2008년도에 생물물리학회

의 업무를 담당할 신임 회장 및 간사진은 다음과 같다.

신임회장: 채수완 교수 (전북대)

총무간사: 김성준 교수 (서울대)

학술간사: 석차옥 교수 (서울대)

편집간사: 강린우 교수 (건국대)

회원간사: 이철주 선임연구원 (KIST)

이보다 앞서 2006년 12월 20일에는 전북대학교에서

신, 구 간사진 간의 서류 인수 인계를 위한 회의가 있었으

며, 현 회장과 총무간사, 신임 회장과 신임 회원 간사가 참

석하였다.

(2) EABS2006 및 ABS 발족

제5회 East Asian Biophysics Symposium (EABS2006)이

지난 11월12일부터 16일까지 일본의 오키나와에서 개최

되었다. 이번 심포지엄에서 기조 연사로 강영기 교수(충북

대학교 화학과)가 발표하였고, 정재훈 박사(한국기초과학

지원연구원), 서세원 교수(서울대학교 화학부), 김경규 교

수(성균관대학교 의과대학), 이봉진 교수(서울대학교 제

약학과), 정광환 교수(서강대학교 생명과학과), 박종화 박

사(국가유전체정보센터)와 최진호 교수(이화여자대학교

나노과학부)등이 구두발표를 하였다.

특히, 이번 심포지엄 기간동안에 개최된 Steering

Committee에서 그동안 EABS에 참여해온 한국, 일본, 중

국, 대만과 홍콩의 생물물리학회이외에 인도와 호주의 생

물물리학회가 참여하는 Asian Biophysics Association

(ABA)를 발족하였고, 차기 ABA symposium은 오는 2009

년 홍콩에서 개최하기로 합의하였다. 2006년에서 2009년

까지 ABA Board의 회장으로 Prof. Kuiaki Nagayama

(Japan), 부회장으로 Prof. Ben Peng (Hong Kong)과 간사 및

재무 담당으로 Prof. Mikio Kataoka (Japan)이 선출되었다.

그리고 ABA의 homepage는 일본 생물물리학회의

homepage에 부가적으로 설치하기로 하였다.

(3) IUPAB 소식

제16회 IUPAB 총회와 심포지엄이 오는 2008년 2월 2

일에서 6일까지 미국의 Long Beach (Florida)에서 개최될

예정이다.

학 회 소 식

Biophysical Society Newsletter Page 3

Dr. Verkman이 연구책임자로 이끌고 있는 Laboratory

for Cell Membrane and Biophysics는 University of California,

San Francisco (UCSF)의 Departments of Medicine and

Physiology와 Cardiovascular Research Institute에 소속되어

있다. UCSF는 10개 UC 계열학교 중에서 가장 규모가 작

고, 의대, 치대, 약대, 간호대 등의 의생명과학 분야 학과로

만 이루어진 대학이다. 포스트닥 연수를 위해 샌프란시스

코 공항에 도착해서 렌트한 차를 타고 학교 간판이 붙은

입구에 진입했을 때, 이제 캠퍼스가 시작되는가 싶어 구경

할 태세를 채 갖추기도 전에 학교 건물이 사라지고 캠퍼스

를 이미 빠져 나왔음을 알았을 때 매우 당혹스러워 하던

기억이 떠오른다. 알고 보니 UCSF는 City and County of

San Francisco의 서쪽에 위치한 일명 Sunset 이라는 지역에

있으며, Parnassus Avenue 양쪽에 자리잡고 있는 몇 개의

큰 건물로 이루어져 있었다. 캠퍼스 확장 계획에 따라

2003년에는 샌프란시스코-오클랜드를 잇는 Bay Bridge와

메이저리그 San Francisco Giants 팀의 홈 구장 근방 Mission

Bay에 현대식 건물로 캠퍼스를 신축하였다. Parnassus 캠

퍼스는 바다와 가깝기 때문에 특히 여름철 아침과 저녁에

는 바다로부터 려오는 자욱한 안개가 그 일대를 덮어버

리게 된다. 샌프란시스코 날씨에 관한 사전 정보 없이 급

히 짐을 꾸리고 6월말의 화창한 캘리포니아 날씨를 기대

하며 도착한 필자 부부는 기상이변이 아닌가라고 생각할

정도였다. 예상치 못한 여름 추위에 당황스런 모습을 보이

는 우리 부부에게 현지인들은 미소를 지으며 미국이 자랑

하는 대문호 마크 트웨인(Mark Twain)이 “The coldest

winter I ever saw, was the summer I spent in San Francisco”라

고 말했다는 일화를 종종 들려주었다.

그림 1. UCSF Parnassus 캠퍼스 전경 (위). 2003년에 신축된 UCSF Mission Bay 캠퍼스의 Genentech Hall 야경 (아래).

[국외 생물물리학연구실 소개]

Alan Verkman Laboratory (University of California – San Francisco)

국민대학교 기계자동차공학부 김중경


미국의 국방 관련 과학기술 정책을 수립하고 예산을

집행하는 DARPA(Defense Advanced Research Projects

Agency)가 2000년 1월에 주최한 한 과제 책임자 모임에서

는 생물학자와 공학자의 효과적인 협동 연구 방안에 관해

논의를 하면서, 생물학자와 공학자의 특성에 관한 차이점

을 비교하여 표1과 같이 정리하였다. 이러한 두 집단의 뚜

렷한 특성 차이 때문에 오늘날 강조되고 있는 학제간 융합

연구는 서로 간의 깊은 이해와 투철한 양보정신, 세심한

제도적 장치 없이는 말처럼 쉽게 잘 이루어지지 않는 실정

이다. 그러므로 최근에는 두 분야에 능통한 인재를 양성하

려는 여러 교육 및 훈련 프로그램이 개설되고 있다. 이런

노력이 지속적으로 이루어진다면 머지않아 인문학, 예술,

의학, 화학, 생물학, 공학에 이르기까지 다양한 분야에서

큰 업적을 남긴 레오나르도 다 빈치와 같은 다재다능한 멀

티플레이어형 인재가 배출될 것으로 기대된다. 일례로 하

버드 대학에서는 daVinci Initiative for Physical Biology라는

PhD 프로그램 신설을 추진하면서, 물리학과 공학이라는

도구를 통해 생명현상을 새로운 시각에서 분석할 수 있는

연구자 육성을 목표로 하고 있다. 생물물리학자는 위의 표

에 나온 생물학자와 공학자의 특성을 두루 갖추고 있어서,

의생명과학 분야의 학제적 융합연구를 수행하기에 가장

적합한 리더가 아닐까 싶다.

Dr. Alan Verkman은 일찍이 이러한 학제간 융합형 교

육과 훈련을 받은 좀처럼 보기 드문 연구자다. MD이면서

물리학 박사 학위를 갖고 있어서, 다양한 학문적 배경을

가진 20여명의 연구진을 매우 효과적으로 관리한다. 연구

실에서 그의 일상적인 모습을 스케치해보면 이렇다. 보드

에 수식을 써가며 수학적 모델링과 컴퓨터 프로그래밍에

관해 필자와 토론을 하다가, 동물실험 중인 신경외과 의사

에게 수술법에 관해 조언을 하는가 하면, 어느새 암실에

들어가 형광현미경으로 세포를 관찰 중인 생물학자와 모

니터에 보이는 이미지 처리에 관해 얘기를 하고 현미경시

스템 개선에 관한 계획을 세운다. 따라서 특별한 경우가

아니면 대부분의 연구가 외부 연구자의 도움 없이 자체적

표1. 생물학자와 공학자의 특성 비교

생물학자 공학자가설에서 출발한다.항상 무엇인가를 이해하려는 동기가 있으며, 응용방안에 관해서는 잊어버리는 경우가 종종 있다.

응용을 위해 연구를 한다.항상 작동하는 무엇인가를 만들기 위한 목표가있으며, 가설을 잊어버리는 경우가 종종 있다.

관련된 모든 변수가 제어되는 시스템을 이해하는데 어려움이 있기 때문에 모델링이나 이론을 신뢰하지 않는 경우가 종종 있다. 직접 눈으로 관찰한사실조차 믿지 않기도 한다.

거의 모든 생물학적 시스템에 존재하는 수많은 변수들을 고려하지 못한다. 결함이 있는 생물학적 자료나 문헌을 순진하게 그대로 믿는 경우가 종종 있다.

10번 중에 7번 정도 반복되는 결과를 얻으면 재현성이 있다고 본다.

오차율이 1/109 이하 정도는 되어야 재현성이 있다고 본다.

현상에 대한 이해와 실험이 항상 계획대로 이루어지는 것이 아니므로, 시간 계획을 세우는 것이 매우 어렵다.

각 부분이 작동하도록 만드는데 걸리는 시간을 대강 예측할 수 있으므로 현실적인 계획을 세울 수있다.

무엇인가를 이해했다는 사실에 흥분하게 되며, 적절하게 특성을 살피고 재현성 있게 작동되게 하는일은 불필요하게 여긴다.

재현성 있게 작동하는 것을 만들었다는 사실에 흥분하며, (완전히 이해를 못했다 하더라도) 그것의특성을 분석하는 일이 사전에 필요하다고 생각한다.

생물학자 공학자생물학자 공학자가설에서 출발한다.항상 무엇인가를 이해하려는 동기가 있으며, 응용방안에 관해서는 잊어버리는 경우가 종종 있다.


가설에서 출발한다.항상 무엇인가를 이해하려는 동기가 있으며, 응용방안에 관해서는 잊어버리는 경우가 종종 있다.


















출처: Brainstorming Session, DARPA Microflumes PI Meeting, Tucson, AZ, JAN 2000


으로 이루어지며, 랩 멤버들끼리의 적극적인 협력과 활발

한 토론을 통해 문제를 해결한다. 이는 물론 Dr. Verkman

의 탁월한 관리능력 덕분일 것이다. 한 가지 세부 프로젝

트를 오래 끌고 가지 않는 그의 성향으로 인해, 서로 다른

기술을 가진 몇 사람이 팀을 이루어 6개월 내에 프로젝트

를 마무리하도록 독려한다. 그러므로 매년 30-40편의 논문

을 발표하지만, 논문 수에 비해 Cell, Nature, Science와 같

은 탑 저널에 실리는 논문은 극히 적은 편이다.

기계공학과 의공학을 전공해서 생물학에 관한 지식

이 부족했던 필자는 Verkman 랩에서 사용하는 여러 실험

장비와 생물물리학적 기법 개발에 관심이 있었고, 세포 수

준에서 나타나는 생체물질 전달현상을 광학적으로 측정

하는 현미경 기술과 세포실험 기법을 배우고자 하였다. 처

음 Verkman 랩을 방문했을 때, 가장 인상적이었던 것은 작

은 방 하나를 차지하고 있는 신약 스크리닝용 robotic 시스

템이었다. 랩 차원에서 이러한 고가 장비를 보유하고 그

운영비를 감당하려면 상당한 액수의 연구비가 지출될 것

이 분명했다. 이 밖에도 10 여대의 형광현미경과 주변장치

가 기능적으로 잘 갖춰진 8개의 암실, 세포배양실, 동물실

험실, patch-clamp 장비 등을 보며 그 실험실 규모에 입이

벌어질 수 밖에 없었다. 다양한 광학현미경 기법에 관심이

있었던 필자에게 또 하나 인상적이었던 장비는 큰 광학테

이블을 차지하고 있는 2-photon 측정용 laser microscopy였

는데, Dr. Verkman은 두 개의 채널에서 polarizer를 통과해

검출되는 신호를 처리하여 분자의 회전운동을 측정하려

는 아이디어를 갖고 있었다. 그런데, 흥미로웠던 것은 레

이저 광학부를 직접 설계하고 만들었던 대학원생이 나간

뒤로는 그 연구가 중단되었음에도 불구하고, Dr. Verkman

은 생물물리학 분야로 지원하는 포스트닥에게 항상 그 장

치를 보여주며 마치 그 연구를 시킬 것처럼 말했지만 실제

로는 다른 과제를 시키곤 했다. 뒤에 합류한 다른 포스트

닥들과 대화 중에 공통된 경험을 나누며 크게 웃었던 적이

있는데, 아마도 도전적이고 멋진 연구주제에 관심 있는 지

원자를 유인하려는 속셈이 아니었나 짐작한다.

학부가 없는 UCSF의 특성 때문에 20여명의 연구진은

2-3명의 대학원생과 테크니션을 제외하고는 대부분 세계

각지에서 온 포스트닥으로 구성되었으며, 유전학, 분자생

물학, 생물물리학, 유기화학, 세포생물학, 신경과학, 생리

학, 기계공학 등의 다양한 학문적 배경을 지니고 있다. 국

제적인 도시인 샌프란시스코에 위치해있는 만큼, 구성원

의 다양성을 매우 중요시하고 장려하는 UCSF 정책에 힘

입어 많은 아시안들이 몰려들고 있다. 표2에서 볼 수 있듯

이, 국가별 학생과 연구원 수 상위 10걸에 5개의 아시안 국

가가 속해있다. 2000년 이후에는 한국에서도 많은 의사와

포스트닥이 연수를 위해 오고 있으며, 인근 지역에 위치한

Stanford, UC Berkeley, UC Davis와 KOLIS (Korean Life

Scientists in the Bay Area)라는 모임을 결성하여 정기적인

학회를 개최하고 있다. Verkman 랩은 상대적으로 국내에

많이 알려지지 않은 편이라 거쳐간 국내 연구자는 손꼽을

그림 2. 신약개발용 고속 스크리닝 장치 앞에 서 있는 Dr. Verkman


정도다. 현재는 동아대학교 의과대학에 교수로 재직 중인

배혜란 박사님이 1990년대 초에 포스트닥으로 일했고,

2000년대에는 포스트닥으로 일한 필자의 뒤를 이어 서울

대학교 기계항공공학부에서 학위를 취득한 진송완 박사

가 일하고 있으며, 2007년 3월부터는 연세대 의과대학 약

리학 교실에서 학위를 취득한 남궁완 박사가 합류할 예정

이다.

Dr. Verkman은 그의 명석한 두뇌회전, 해박한 지식,

효율적인 프로젝트 관리능력에 화려한 언변이 더해져 연

구비 획득에 비상한 재주를 보인다. 항상 5개 이상의 NIH

과제를 유지하면서, Cystic Fibrosis Foundation에서 낭성 섬

유증 치료제 개발을 위해 1990년 대 초부터 지원해온 대형

과제의 프로그램 디렉터를 맡고 있다. 최근에는 OneWorld

Health라는 비영리 제약회사와 공동으로 Bill & Melinda

Gates Foundation이 제3세계 설사병 치료제 개발을 위해 지

원하는 4천6백만불의 연구비를 받게 되었다는 뉴스를 접

했다. 랩에서 워낙 다양한 분야의 연구를 수행하므로, 그

내용을 제대로 파악하기도 힘들지만 몇 가지 주요 연구분

야를 간략히 소개하면 다음과 같다.

1. Mechanisms of water transport across cell membranes

세포막을 통과하는 물의 이동현상에는 aquaporin이라

고 하는 수분통로가 관여한다. aquaporin을 통한 물 이동

메커니즘 분석, aquaporin의 클로닝과 구조분석, 쥐 형질변

환 등의 연구와 함께 물의 투과성을 측정하는 광학기법 등

을 동원하여 인체의 각 기관에서 aquaporin의 생리학적 기

능을 탐구하고 있다.

2. Biophysics of molecular diffusion and interactions in

living cells and tissues

1990년대 중반부터 anisotropy imaging, picosecond

microfluorimetry, Fluorescence Recovery After

Photobleaching (FRAP), Fluorescence Correlation

Spectroscopy (FCS), femtosecond laser spectroscopy 등의 형

광현미경 기법을 개발하여 살아있는 세포 내부 분자들의

역동적인 움직임을 측정하였다. 기존 예측은 세포 내부의

crowding effect로 인해 분자 움직임이 심각하게 저해된다

는 것이었지만, Verkman 팀은 움직임이 예상보다 훨씬 적

게 감소된다는 것을 발견하였다. 이러한 분자 다이내믹스

연구의 일환으로 유전자 치료에서 유전자의 전달효율을

좌우하는 세포 내 DNA의 이동도(mobility) 측정 연구를 수

행하였다. 최근에는 살아있는 동물 신경시스템의 세포외

공간에서 분자들의 확산현상을 측정하는 새로운 in-vivo

FRAP 기법을 개발하여, slice 샘플을 이용해서 발생하는

기존의 실험오차를 극복하였다. 또한, 살아있는 세포에서

염소이온을 검출할 수 있는 형광염료를 최초로 개발하여

세포막의 Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance

Regulator (CFTR)의 mutation이 원인으로 밝혀진 낭성 섬유

증의 분자적 기작을 연구해왔으며, 최근에는 포타시움이

표2. UCSF 소속 외국인 학생과 연구원의 국가별 분포표 중 상위 15개 (2006년 9월 현재)


온에 선택적으로 반응하는 형광염료를 개발하여 신경과

학 연구에 활용하고 있다.

3. Drug discovery by high-throughput screenging 염소이온 검출을 위해 개발된 형광염료는 CFTR 기능

을 활성화시키는 신약 스크리닝에 활용되었고, Cystic

Fibrosis Foundation은 이러한 연구결과를 인정하여 여러

연구팀이 참여하는 대형 연구과제를 10여 년 전부터 지원

하고 있으며, 랩에 고속 스크리닝 시스템을 자체적으로 구

비하게 되는 계기가 되었다. CFTR activator를 찾는 연구를

진행하던 중에 부산물로 설사약을 개발하게 되었는데, 장

에서 수분이동 통로가 되는 CFTR 기능을 억제하는 화합

물을 찾고자 약 20만 종의 화합물을 고속 스크리닝하여 발

굴한 CFTR 억제제의 효능을 동물실험에서 확인하였다.

최근 수 년 동안 이루어진 전임상 실험에서 수분 손실이

발생하는 주요경로를 차단하는 효과가 이전 화합물에 비

해 수백 배 이상임을 밝혔다. 7년여의 연구를 통해 발굴된

신약 후보물질의 개발을 가속화하고자 샌프란시스코에

위치한 OneWorld Health라는 비영리 제약회사와 공동으로

설사치료제 개발을 시작하였다. OneWorld Health는 앞에

서 언급한 게이츠 재단의 막대한 연구비 지원을 받게 되며

발굴된 설사병 치료 신약후보물질을 최적화하는 연구를

추진하게 된다. 이 밖에도 polycystic kidney disease, heart

failure, glaucoma 치료제 개발도 진행하고 있다.

필자가 있는 동안 매주 두 차례 랩 미팅이 열려서 랩

에서 진행되는 다양한 연구를 접하는 한편 영어 프리젠테

이션을 연습할 수 있는 좋은 기회가 되었다. 또한 매주 세

차례 저널클럽이 열렸는데, Cystic Fibrosis, Neuroscience,

Biophysics 분야 연구자끼리 모여서 최근 출판된 논문에 관

해 열띤 토론을 벌이는 이 시간이 필자에게는 다양한 생물

학적 지식을 얻을 수 있는 매우 유익하고 소중한 시간이었

다. 첫 발표 차례가 되어 밤을 새워 준비한 논문을 소개하

면서 영어가 안되어 당황해하던 경험은 이제 추억이 되었

고, 그 때 밤새워 읽은 논문들은 절대 잊혀지지 않을 것만

같다. 지면 관계로 이 글에 미처 싣지 못한 Verkman 랩에

관한 정보는 홈페이지와 논문을 참조해주시길 바란다.

그림 3. Verkman Lab Conference 장면


머리말

물리, 화학, 생물학의 구분이 없던 고대의 철학자들은

우주의 다양한 문제들을 자유롭게 넘나들며 연구할 수 있

었다. 하지만 현재에 이르러 과학의 연구 분야는 세분화되

고 전문화되어 한 사람의 과학자가 여러 분야의 전문 지식

을 갖는 것은 거의 불가능하게 되었다. 이에 반해 현재의 과

학이 직면하고 있는 많은 문제들은 더 복잡해지고 있어서

학문간의 벽을 뛰어넘는 연구활동을 끊임없이 요구하고 있

다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 서로 다른 분야 사

이의 원활한 대화가 필요하지만 학문들 간의 벽은 여전히

높다. 이러한 관점에서 나는 생물학과 물리학 사이의 경계

에서 일하면서 두 학문간의 벽을 허무는데 조그만 기여를

하고 있다는 사실을 자랑스럽게 생각한다.

생물물리학에서 생물과 물리는 각각 어떤 부분을 차지

하고 있을까? 이 질문에 대해서 나는 “생물학은 문제를 제

공하고 물리학은 그 문제를 해결할 도구를 제공한다”라고

답하고 싶다. 역사적으로 볼 때 물리학은 생물학이 필요로

하는 새로운 실험 도구를 제공해 왔고 이러한 실험 도구들

은 생물학의 발전에 결정적인 역할을 하여 왔기 때문이다.

예를 들어, 물리학 원리에 기반하여 만들어진 현미경은 그

당시 생물학 연구 방법을 완전히 뒤바꾸어 놓았고, 그 영향

으로 세포설을 포함한 중요한 생물학 연구의 패러다임이

완성되게 되었다. X-ray 결정학 역시 DNA 포함한 다양한

생체 분자의 구조를 연구할 수 있게 함으로써 현재 분자생

물학에서 없어서는 안 되는 도구가 되었다. 이 외에도 다양

한 문제들을 해결할 수 있는 도구들이 물리학을 통해 제공

되어 왔는데, 내가 하고 있는 홑분자 분광학 (Single-

molecule spectroscopy)도 크게 다르지 않다. 홑분자 분광학

은 생체 분자 하나 하나를 관측하고 제어할 수 있는 물리학

의 실험 도구를 이용하여 생체 분자의 작동 원리를 이해하

려는 생물물리의 한 분야다. 생체 분자 하나의 신호를 측정

하고 분석한다는 점에서 최초의 홑분자 기술은 Erwin Neher

와 Bert Sakmann이 1970년대 중반에 개발한 patch-clamp 기

술이 처음이라 할 수 있지만 통상적인 의미에서 홑분자 분

광학은 지난 십여 년 전부터 발전하기 시작한 홑분자 형광

분광 기술과 광학 집게와 자기 집게 등의 분자 집게 기술을

말한다. 홑분자 분광학 기술은 나노미터 영역에서 일어나

는 분자의 운동을 실시간으로 관찰할 수 있다는 장점이 있

기 때문에 다양한 생체 분자의 작동 얼개를 이해하려는 연

구자들의 큰 관심을 받고 있다. 나는 이 글에서 홑분자 분광

학의 주요한 기술들을 소개하고자 한다. 홑분자 분광학 전

반에 대한 소개를 목적으로 했기 때문에 기술적으로 자세

한 내용을 다루지는 않았다. 보다 자세한 정보를 원하는 사

람은 참고 논문을 보기 바란다.

[총설]

생물학을 위한 홑분자 분광학 기술들

서울대학교 물리천문학부 홍성철


홑분자 프렛 (Single-molecule FRET)

첫번째로 소개할 기술은 홑분자 프렛 (FRET:

Fluorescence Resonance Energy Transfer)기술이다. 프렛은 두

개의 형광 분자 사이의 근접장 상호 작용에 의해 일어나는

에너지 이동 현상을 말한다(1). 이 때 에너지를 주는 분자를

주개 (donor), 에너지를 받는 분자를 받개 (acceptor)라고 부

른다. 프렛에 의한 에너지 이동에는 주개 분자와 받개 분자

사이의 이중극자-이중극자 상호작용이 가장 큰 기여를 한

다. 이 항만을 고려하여 프렛 효율 E를 두 분자 사이의 거리

R의 함수로 계산하면 다음과 같은 결과를 얻는다.

여기서 R0는 주개 분자와 받게 분자의 광학적 성질과 놓인

방향, 그리고 매질의 종류에 의해서 결정되는 값으로 통상

실험에 쓰이는 프렛 쌍들에 대해 계산해 보면 3 ~ 7 나노 미

터의 값을 갖는다. 그림 1에 R0가 5 나노미터인 경우의 프

렛 효율 E를 거리 R의 함수로 나타내었는데 대부분의 프렛

효율 변화가 3 ~ 9 나노미터 사이에서 급격하게 일어나는

것이 눈에 띈다. 프렛 효율은 실험적으로 주개 분자와 받개

분자의 형광을 측정함으로써 구할 수 있다. 예를 들어 아래

그림에 R이 4 nm, 5 nm, 6 nm 인 경우의 주개 분자의 형광

스펙트럼 (초록색)과 받개 분자의 형광 스펙트럼 (빨간색)

을 나타내었는데 두 분자의 상대 밝기가 거리에 민감하게

변함을 알 수 있다. 즉 두 분자에서 나오는 형광 신호의 상

대적인 세기를 비교함으로써 수 나노미터 영역에서 일어나

는 나노미터 이하의 작은 거리 변화도 측정할 수 있다는 것

을 말한다. 원리적으로 이러한 프렛의 특성을 이용하면 생

체 분자의 모양 변화나 서로 다른 생체 분자 사이의 상호 작

용을 연구할 수 있다 (그림 1 참조).

60 )(1

1RR

E+

=

그림 1. 프렛의 원리 및 생물학 문제에의 응용


이를 위해서는 형광 분자를 생체 분자의 원하는 곳에 붙일

수 있어야 하는데 이와 관련된 화학이 이미 잘 정립되어 있

기 때문에 이 일은 생각만큼 어려운 일은 아니다. 생물학적

으로 보다 중요한 문제는 형광 분자를 붙였을 때 생체 분자

가 원래의 방식대로 작동하는 가를 생화학적 방법을 이용

하여 확인하는 것이다.

사실 프렛은 이미 백여 년 전부터 알려진 현상으로 오

랜 시간 동안 생물학에서 사용되어 온실험 방법인데 1996

년 하택집 박사 등이 단일 프렛 쌍에서 나오는 형광 신호를

검출할 수 있다는 사실을 입증함으로써 중흥기를 맞이하게

되었다(2). 이것은 홑분자 프렛이 앙상블 프렛 실험과 비교

하여 다음과 같은 장점들을 가지기 때문이다. 첫째, 생체 분

자가 가지는 여러 가지 상태를 구별하고 각 상태의 분포를

그릴 수 있다. 둘째, 실시간으로 분자의 운동을 관찰할 수

있기 때문에 보다 정확한 분자의 작동 모델을 만들 수 있다.

다른 말로 표현하면 분자 하나 하나를 자세히 관찰함으로

써 분자에 대한 훨씬 풍부한 정보를 얻을 수 있다는 얘기인

데 그 대가로 우리가 지불해야 하는 것이 실험의 어려움이

다. 형광 분자 하나에서 나오는 빛은 아주 약하기 때문에 측

정 효율을 최대한 높여야 한다. 따라서 조리개수가 큰 현미

경 대물 렌즈가 형광 신호 수집에 쓰이며 양자 거둠율

(quantum yield)이 좋은 EM-CCD 카메라나 사태 광다이오드

(avalanche photodiode)가 측정기로 쓰인다. 또 형광 신호가

작기 때문에 노이즈를 줄이는 것도 중요한데 이를 위해

CCD 카메라를 이용하는 경우는 전반사 방법을, 사태 광다

이오드를 이용하는 경우에는 confocal 방법이 쓰인다. CCD

를 이용한 측정법은 수백 개의 생물 분자를 동시에 관측할

수 있다는 장점이 있는 대신 시간 분해능이 제한되어 있다.

이와 비교해서 사태 광다이오드를 측정기로 사용하는 방법

은 분자 하나 하나를 순차적으로 관측해야 하기 때문에 실

험 시간이 많이 걸리고 실시간으로 변하는 실험 조건에서

실험하기가 어렵다는 단점이 있는 반면에 마이크로 초의

시간 분해능을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 따라서 두 측정

방법은 상호 보완적인 면이 있다.

홑분자 프렛은 1996년에 처음 선보인 이후에 다양한 생

물학 문제 해결에 이용되어 왔다. 몇 가지 대표적인 예만을

들어도, RNA 효소의 접힘 연구(3), 헬리케이즈에 의한

DNA 풀림의 연구(4), 라이보솜에 의한 유전자 번역 과정 연

구(5), 단백질 접힘 연구(6), RecA의 polymerization 연구(7)

등이 있다. 현광 분자의 광표백 (photobleaching) 문제(8)와

점멸 현상 (blinking) 문제(9)를 완화시키는 방법의 발견과

함께 홑분자 삼색 프렛 (single-molecule three-color FRET)과

(10) ALEX (Alternating Laser Excitation) (11) 등 측정 기술

상의 발전에 힘입어 홑분자 프렛은 더욱 다양한 생물학 문

제를 해결하는데 기여하리라 믿는다.

피오나 (FIONA)

피오나 (FIONA: Fluorescence Imaging with One-

Nanometer Accuracy)는 근래에 홑분자 형광 분광학에서 큰

관심을 받고 있는 기술이다. 프렛의 경우는 형광신호의 밝

기 정보를 이용하는데 비하여 피오나 기술은 CCD 카메라

상의 단일 형광 분자의 이미지를 분석함으로써 형광 분자

의 위치를 나노미터의 정확도로 결정하는 방법이다. 물리

학에서 잘 알려진 사실인 회절 한계 법칙에 의하면 현미경

의 분해능은 파장의 반보다 좋아질 수 없다. 즉 가시 광선을

사용하였을 때 200 ~ 300 나노미터가 얻을 수 있는 가장 좋

은 분해능이라는 얘기인데, 이 말이 맞다면 어떻게 광학 현

미경을 이용하여 나노미터 단위의 분자 운동을 측정할 수

있을까? 피오나의 원리는 의외로 간단하다. 형광 분자의 위

치는 형광 이미지의 중심을 결정함으로써 구할 수 있는데

이 때 중심 위치 결정 오차 σ는 아래와 같이 표현된다는 것


22

2422 812Nabs

Na

Ns πσ ++=

이 이론적으로 밝혀졌다(12). 여기서 s는 형광 이미지의 크

기, a는 CCD 픽셀 사이즈, b는 배경 잡음, N은 수집된 전체

포톤의 숫자를 의미한다.

위의 식에서 근호 안의 세 항 중 실제 실험 조건에서 위치

결정 정확도를 정하는 것은 첫 번째 항목이다. 광학 현미경

의 분해능 s가 200 ~ 300 나노미터이기 때문에 만개의 포톤

을 받으면 형광 분자의 위치를 2 ~ 3 나노미터의 정확도로

결정할 수 있다는 것을 위 식은 말하고 있다. 이러한 이론적

인 예측은 일리노이 대학교의 Paul Selvin 그룹에 의해 실험

적으로 입증되었다13. 그는 그림 2의 왼쪽에 보이듯이 단일

형광 분자의 CCD 이미지를 얻고 이 이미지를 Gaussian 함

수에 맞춤으로써 형광 분자의 중심을 결정하는 방법을 사

용하였는데 그림 2의 오른쪽 그림에서 보이듯이 수 나노미

터의 움직임을 정확히 따라갈 수 있었다. 지금까지 피오나

의 주된 응용 분야는 myosin (13)이나 kinesin (14) 등의 다양

한 운동 단백질의 운동 원리를 이해하는 것이 주를 이루었

지만 손상 DNA의 염기 서열을 인식(15), 치료하는 과정의

연구 등 보다 다양한 분야로 확대 되고 있다.

광학 집게

형광 분석 기술과 더불어 홑분자 분광학의 대표적인 기

술이 생체 분자 하나를 역학적으로 조절하는 분자 집게 기

술이다. 그 중 대표적인 것이 광학 집게 (optical tweezers)이

다. 광학 집게의 발달은 1969년 벨 연구소에서 일하던

Ashikin이 강한 레이저 빛을 초점에 맞춤으로써 마이크론

크기의 폴리스틸렌 입자를 포획할 수 있다는 발견에서부터

시작되었다(16). 입자가 포획되는 원리는 빛의 굴절 법칙과

운동량 보존 법칙을 이용하여 아주 쉽게 이해할 수 있다. 포

획의 원리를 설명하기 위해서 그림 3에 포획하고자 하는 입

자의 중심보다 위에 레이저 빛의 초점이 만들어지는 경우

를 그렸다. 설명의 편의상 그림에는 두 개의 빔 a, b만이 그

려져 있다. 입자 내부의 굴절률이 외부의 굴절률보다 높기

그림 2. 단일 형광 분자의 이미지 및 피오나를 이용한 나노미터 운동 측정 그래프


때문에 두 빔은 입자를 통과하면서 그림에 보여진 것처럼

굴절 법칙에 따라 휘어지게 된다. 그런데 빛은 운동량을 가

지고 있기 때문에 이러한 빛의 진행 방향 변화는 빛의 운동

량이 변하는 것을 의미한다. 이제 작용 반작용의 법칙을 이

용하면 그림에 보여지듯이 빔 a는 자신의 운동량 변화와 반

대 방향의 힘 Fa를, 빔 b는 Fb를 입자에 주게 되고 두 개의

힘을 합친 합력은 빛의 진행 방향과 반대인 위 쪽을 향하게

된다. 레이저의 초점이 입자의 중심보다 아래 쪽에 있거나

왼쪽 또는 오른쪽에 있을 경우에도 비슷한 분석을 할 수 있

는데 어느 경우에나 굴절에 의한 합력은 초점이 맞춰지는

지점을 향하게 된다. 다르게 표현하면 입자는 레이저 빛의

초점으로 향하는 복원력을 받는다 얘기가 된다. 이 현상을

이용하면 레이저를 이용하여 입자를 포획할 수 있게 된다.

물론 빛과 입자 사이에는 투과만 있는 것이 아니고 반사, 산

란, 흡수 등 항상 입자를 빛의 진행 방향 쪽으로 어내는

효과도 있기 때문에 실제 입자를 포획하기 위해서는 투명

하면서 굴절률이 큰 입자를 써야 되며 운동량 변화를 최대

화 하기 위해서 조리개수가 큰 현미경 대물 렌즈와 강한 레

이저가 필요하다.

이렇게 포획된 입자를 생체 분자와 연결시키고 생체 분

자에 피코 뉴턴 단위의 힘을 가하는 방법은 1990 년대 중반

Carlos Bustamante 그룹과 Steven Block 그룹에 의해 개발, 발

전되었다 (그림 3의 오른쪽 참조). 생체 분자에 가해지는 힘

은 포획된 입자와 표면에 고정된 생체 분자 사이의 거리를

변화시킴으로써 조절할 수 있다. 주로 DNA의 역학적 성질

과(17) RNA 이차 구조의 풀림 현상(18) 등이 주로 연구되어

왔고 kinesin (19), RNA polymerase (20) 등 다양한 운동단백

질 (motor protein)의 작동 얼개를 이해하는 것도 주된 응용

분야였다. 2002년에 통계물리학에서 중요한 Jarzynski 정리

를 실험적으로 실증한 것 또한 놓칠 수 없는 중요한 업적 중

의 하나이다(21). 광학 집게 기술은 그 동안 정 도와 기기

안정성 면에서 발전을 거듭하여 충분히 강한 힘을 가한다

면 (10 피코 뉴턴 이상) 나노미터 이하의 거리 변화까지 측

정할 수 있는 단계에 이르렀다.

그림 3. 입자 포획의 원리 및 광자 집게를 이용한 실험의 개념도


자기 집게

자기 집게 (magnetic tweezers) 기술은 광학 집게 기술과

비교하여 위치 정 도가 떨어지고 시간 분해능이 높지 않

다는 단점이 있지만 손쉽게 토크를 가할 수 있다는 장점이

있다. 기술적인 발전은 주로 Bustamante 그룹과 David

Bensimon 그룹에 의해 이루어졌다. 자기 집게의 작동 원리

는 비교적 간단하다. 그림 4a에 보이듯이 자성 입자가 DNA

에 의해 유리 표면에 연결되어 있다. 가해지는 힘 F는 자석

과 자성 입자와의 거리를 바꿈으로써 조절할 수 있다. 자성

입자가 중심에서 벗어났을 때는 자석에 의한 힘 F와 DNA

에 의한 힘 F´이 상쇄되지 않고 중심으로 향하는 복원력 Fnet

이 존재하게 된다. 복원력 Fnet는 간단한 분석에 의해

즉 용수철 상수 kx가 F/L이 됨을 알 수 있다. 이제 통계물리

학에서 잘 알려진 equipartition 정리를 쓰면

을 얻을 수 있고 위의 두 결과를 적용하면

를 얻는다. 즉 입자의 브라운 운동 경로와 DNA 길이로부터

입자에 가해지는 힘을 얻을 수 있다. 그림 4b에 보이듯이

DNA 길이는 높이에 따라 달라지는 자성 입자의 이미지를

분석함으로써 구할 수 있다.

자기 집게는 광학집게에 비해 토크를 쉽게 가할 수 있

다는 장점이 있다. 따라서 연구의 초창기에는 DNA과도꼬

임 (supercoiling) 현상과(22) topoisomerase의 작동 얼개에 대xLFLxFFFnet δδθ )()(tan −=−=−=

2)2( 2 Tkxk Bx >=< δ

><= 2)( xTLkF B δ

그림 4. 자기 집게의 개념도 및 포획된 입자의 이미지 분석을 통한 길이 측정


한 연구가(23) 주를 이루었다. 최근에는 RNA polymerase의

open complex 형성 과정과(24) 헬리케이스에 의한 Holliday

junction의 branch migration 현상(25) 등 그 응용 분야가 점점

더 다양해지고 있다.

맺는말

지금까지 홑분자 분광학에서 가장 많이 쓰이는 몇 가지

기술들을 살펴보았다. 부족하지만 이 글을 통해 생소하게

여겨졌던 홑분자 분광학이 독자들에게 조금 더 가까워 지

는 기회가 됐으면 하는 바람이다. 마지막으로 국내의 홑분

자 분광학 연구의 상황과 글쓴이의 실험실에서 진행 중인

일들을 간단히 소개하면서 이 글을 마치고자 한다. 지난 십

여 년간 세계적으로 홑분자 실험이 활발히 진행되어온 것

에 비해 국내의 홑분자 실험은 아직 걸음마 단계에 있다. 최

근 몇 년 사이에 자생적으로, 또는 외국 연구 그룹과의 공동

연구를 통하여 한 두 실험실에서 홑분자 연구가 시작되었

다. 대표적으로 서울대학교 화학과의 김성근 교수님 연구

실 (홑분자 프렛)과 고려대학교 물리학과의 홍석철 교수님

연구실 (자기 집게)을 들 수 있겠다. 개인적인 정보에 의하

면 KAIST 물리학과와 포스텍 물리학과에도 조만간 이 분

야로 신임 교수를 채용할 것이고 그 외 다른 대학에서도 홑

분자 분광학에 큰 관심을 보이기 있기 때문에 홑분자 분광

학 분야는 국내에서도 빠른 속도로 성장할 것으로 예상된

다. 우리 실험실은 지난 9월 문을 연 이후 현재는 홑분자 프

렛 실험을 중심으로 유전자 발현 조절 과정에서 중요한 역

할을 하는 Z-DNA, G-quadruplex, RNA pseudoknot 등의 특이

핵산 구조의 동력학을 연구하고 있다. 하지만 여건이 허락

하는 대로 막 단백질의 동력학 등 보다 다양한 생물학 문제

들로 연구 영역을 넓혀 가고자 한다. 따라서 전통적인 생물

학자, 화학자, 생물물리학자들과의 공동 연구에 큰 관심을

가지고 있다. 글을 마치기 전에 원고의 교정을 도와 준 이상

화 군에게 감사 드린다.

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세포 생물은 종종 일부 세포들을 제거할 필요가 있다.

이들 세포는 특정 시점에 필요 이상으로 많이 존재하는 것

들이거나 잠재적인 위험이 내부에 발생된 것들이다. 이처

럼 불필요하거나 위험한 세포들은 apoptosis라는 잘 조절된

프로그램을 따라 주변 조직에 염증 반응을 일으키지 않으

며 죽게 된다 (1). 이 현상은 이미 1960년대 여러 발생학자

들과 세포학자들에 의해 발견되어 여러 용어를 통해 일컬

어 졌으나, 1972년 Kerr, Wyllie와 Currie에 의해 그 현미경적

특징이 정리되고 apoptosis라는 이름이 붙여졌다 (2).

Apoptosis가 세포 수준 연구에서 더 나아가 다양한 분야의

생명과학자들에게 주된 연구 주제로 떠오르게 된 계기는

1980년대 후반 Stanley Korsmeyer가 Bcl-2의 과발현이

apoptosis를 저해하며 B cell lymphoma의 발생을 촉진한다는

것을 입증해 보인 이후의 일이다 (3, 4). 후속 연구들을 통해

암세포에서 apoptosis 프로그램이 억제되어 있는 것은 암 발

생의 중요한 조건이자 암 세포가 화학치료에 대해 저항할

수 있는 조건임이 알려지게 되었고 (5), 그 분자 수준에서의

작동 메커니즘이 밝혀지기 시작하였다.

Caspase: the death protease

세포 내에서 이 죽음의 과정을 집행하는 중심적인 단

백질은 caspase라는 protease들인데, caspase들이 가수분해시

키는 세포내 단백질들은 최근까지 확인된 것만 280여 가지

에 이른다 (6). 이들 caspase들은 procaspase라 부르는

inactive zymogen의 형태로 존재하다가 proteolysis를 통해

active한 형태로 활성화된다. Caspase들은 executioner (or

effecter) caspase와 iniator (or apical) caspase로 분류할 수 있

는데, executioner caspase들(caspase-3 & -7)은 세포내 많은

다른 단백질들을 분해시킴으로써 죽음의 과정을 집행하는

부류이며, initiator caspase들(caspase-8 & -9)은 죽음 신호에

반응하여 스스로 활성화 된 이후에 executioner caspase들을

활성화시키는 역할을 한다 (그림 1). 죽음 신호는 세포 외부

로부터 주어지는 경우와 세포 내부로부터 발생하는 경우로

나누어 볼 수 있는데, 전자를 extrinsic pathway, 후자를

intrinsic pathway라 부른다. Extrinsic pathway에서의 죽음 신

호는 FasL, TRAIL등의 death ligand들이며, 이 신호의 수용

체는 Fas, TRAIL-R1, TRAIL-R2등의 death receptor들이다

(7). Intrinsic pathway에서의 죽음 신호는 주로 유전자 손상

이며 p53에 의해 mitochondria를 경유하여 전달된다 (8).

Initiator caspase activation and death domain superfamily

Initiator caspase인 caspase-8과 -9의 경우는 executioner

caspase인 caspase-3와 -7의 경우와 다르게 procasepase가

prodomain을 갖고 있으며, proteolytic activation이 다른 종류

의 caspase에 의해 이루어지는 것이 아니라 유도된 locally

concentrated 상태에서 zymogen이 갖고 있는 minimal activity

에 의해 스스로 activate되는 점이 특징적이다 (9). Caspase-9

의 경우는 apoptosome이라는 heptameric complex에 recruit되

[총설]

Protein-protein interaction in the initiator caspase activation

숭실대학교 화학과 양진국


어서 서로 매우 근접하게 된 procasepase-9 molecule들이 서

로를 잘라주어서 active한 dimer를 형성하게 되고, caspase-8

의 경우는 이러한 일이 기본적으로 trimeric structure를 갖고

있을 것으로 예상되는 DISC (death-inducing signaling

complex)에서 이루어진다. Apoptosome은 cytosolic protein인

Apaf-1과 mitochondria에서 방출된 cytochrome C가 결합한

복합체이며, DISC는 FasL의 수용체인 Fas와 그 downstream

cytosolic protein인 Fadd의 복합체이다. 따라서, 이 각각의 복

합체들에게로 procaspase-9과 procaspase-8이 recruit되는 것

이 이들의 proteolytic activation에 필수적인 조건이라 하겠

다 (그림 1).

Procaspase-8과 -9이 각각 DISC와 apoptosome에 recruit

되어 활성화되는 데는 protein-protein interaction이 핵심적인

역할을 하는데, 이 protein-protein interaction은 death domain

superfamily에 속하는 매우 비슷하게 생긴 domain들 (그림

2), 즉 DD (death domain), DED (death effecter domain) 그리

고 CARD (caspase-recruiting domain) 사이의 homotypic

interaction이다. Fas는 그 cytosolic part에 DD를 갖고 있고,

Fadd는 DD과 DED를 갖고 있으며, procaspase-8은 catalytic

domain에 연결된 prodomain으로 두 개의 DED를 갖고 있다.

이들은 각각 DD-DD interaction과 DED-DED interaction을 통

해 서로 결합한다. 비슷하게 Apaf-1와 procaspase-9은

CARD-CARD interaction에 의해 서로 결합한다 (그림 1). 따

라서, 이러한 homotypic protein-protein interaction들의 삼차

원 구조 분석은 caspase-8과 -9 활성화 기작의 구조적 기반

에 관한 중요한 정보를 제공할 것이다.

그림 1. Assembly of DISC and apoptosome is prerequisite for the caspase activation.


DD, DED 그리고 CARD, 이 세 개의 domain은 1997-99

년 NMR spectroscopy와 X-ray crystallography를 통해 그 구

조가 밝혀 졌는데 (10-13), 모두 아미노산 90개 정도 크기이

며 six helical bundle 형태의 매우 비슷한 구조를 갖고 있다

(그림 2). 하지만, 이들 사이의 interaction은 매우 specific해

서 DD는 반드시 DD와, DED는 DED와, 그리고 CARD는

CARD와만 결합한다. 이들 세가지 domain들은 apoptosis

signaling에 관여하는 단백질들뿐 아니라 다른 맥락에 있는

수많은 단백질들에서도 발견되었지만, 이러한 homotypic

interaction의 pattern을 벗어나는 경우는 단 한 경우도 관찰

된 적이 없다. 따라서, 이렇게 매우 비슷한 interaction

module들 사이에 그처럼 강한 specificity가 존재하는 구조적

기반을 밝히는 것은 구조생물학자들에게 특별히 흥미로운

연구 주제일 것이다.

Homotypic interaction between death domain superfamily

members

Initiator caspase activation에서 중요한 역할을 하는

death domain superfamily member들 사이의 homotypic

interaction들 중 CARD-CARD의 경우만 1999년 Princeton

University의 Yigong Shi 그룹으로부터 그 결정 구조가 보고

되었다 (13) (그림 3a). 다른 두 가지 interaction인 DD-DD와

DED-DED의 경우 그 결정 구조가 보고된 바가 없었는데,

본인이 Weill Medical College of Cornell University에서 2003

년 7월부터 2006년 8월까지 이 부분을 연구하였다. 우선

FasDD-FaddDD의 경우 그 recombinant protein들이 in vitro에

서 3:3 complex를 안정적으로 형성하였으며 (14), 그

trimerization은 FaddDD에 의해 기여되는 바가 없이 오직

FasDD에 의해서만 이루어지고 각각의 FaddDD는 두 개의

FasDD 사이에 끼어 들어가는 방식으로 결합하고 있음을 확

인하였다 (unpublished data). 이는 DISC를 형성하는데 기여

하는 DD-DD interaction은 세 가지 type이 있음을 시사하는

것으로, 그 첫 번째는 FasDD의 trimerization을 이루는 것이

며 나머지 두 가지는 FasDD와 FaddDD 사이의 것들이다. 앞

으로 FasDD-FaddDD 3:3 complex의 구조가 X-ray

crystallography를 통해 높은 해상도로 밝혀 지면 위와 같은

개략적인 정보를 뛰어넘어 그 interface의 detail이 밝혀지게

될 것이다.

DED의 경우, Fadd나 procaspase의 DED들은

overexpression될 때 self-aggregation되거나 filamentous

structure를 형성하기 때문에 recombinant protein으로의 대량

그림 2. Three members of the death domain superfamily. (a) Death domain in Fas. (b) Death effecter domain in Fadd. (c) Caspase-recruiting domain in Apaf-1.


발현 및 정제가 매우 까다롭다. 한편, tandem하게 연결된 두

개의 DED들로 이루어져 있는 viral FLIP들 중 Molluscum

contagiosum virus의 MC159은 soluble한 monomer로 존재하

는 것을 발견하였고 그 결정 구조를 밝히게 되었다 (14).

FLIP은 그 DED를 통해 Fadd와 procaspase-8에 결합하여

caspase-8 activation을 방해하는 anti-apoptotic protein이다

(15, 16). 이 viral FLIP을 구성하는 두 개의 DED는 서로 강하

게 상호작용하고 있음이 본인이 규명한 결정 구조를 통해

밝혀졌는데, 이는 DED-DED interaction으로는 처음으로 보

고되는 것이었다. CARD-CARD의 경우 Apaf-1의 helix 2-3

face가 procaspase-9의 helix 1-4 face와 electrostatic interaction

을 통해 결합하지만, viral FLIP에서의 DED-DED의 경우 첫

번째 DED의 helix 2-5 face가 두 번째 DED의 helix 1-4 face와

hydrophobic interaction을 통해 결합하고 있음을 알 수 있다

(그림 3).

Perspectives

Initiator caspase activation에서의 DD-DD 그리고 DED-

DED interaction에 관한 구조 정보는DISC에 procaspase-8이

recruit되어 활성화되는 과정의 분자 수준 메커니즘을 밝히

는데 중요한 기초 정보로서 기여할 것이다. DD-DD의 경우

3:3 complex의 안정적 분리 정제가 확립된 바, 가까운 장래

에 그 SAXS 또는 EM, 나아가 고해상도 X-ray 구조가 보고

될 것으로 기대된다. DED-DED의 경우 viral FLIP내의 두

DED 사이의 상호작용이 결정 구조를 통해 밝혀졌으나,

Fadd DED 와 procaspase-8 DED 사이의 상호작용은 앞으로

밝혀져야 할 중요한 부분이라 하겠다. Viral FLIP MC159이

Fadd DED의 lateral interaction에 의한 self-association을 저해

하므로 (14), viral FLIP MC159과 Fadd DED, 그리고

procaspase-8 DED의 ternary complex는 aggregated form이 아

닌 형태일 것으로 예측되는 바, 구조 연구를 위한 단백질 정

제 시료를 준비할 수 있을 것이다. 이 구조가 규명된다면

Fadd DED 사이의 lateral interaction에 관한 detail을 추정해

볼 수 있는 간접적인 정보로서도 활용될 수 있을 것이다. 이

렇게 따로따로 수집한 DISC내의 DD-DD 상호작용과 DED-

DED 상호작용에 관한 구조 정보를 종합한다면, DISC의 구

조에 관한 우리의 지식은 질적으로 크게 향상된 수준이 될

것이다. 즉, caspase-8이 활성화되는 DISC라는 거대 복합체

는 divide-and-conquer 전략의 구조 연구를 통해 그 전체적인

모습이 파악될 것으로 전망된다.

그림 3. (a) CARD-CARD interaction between Apaf-1 (bottom) and procasepase-9 (top). (b) DED-DED interaction in viral FLIP MC159. First DED (bottom) doesn’t have helix 3 which was observed in the previously determined Fadd DED structure.


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건국대학교 구조화학연구실

김양미 교수 연구실


연구실 개요

최근 엄청난 양의 생물 관련 정보들을 실제 생활에

이용하기 위해서는 정보의 수집 뿐만 아니라 이들을

체계적으로 정리하고 정보공유가 원활하게 이루어지도록

해야 한다 이런 의미에서 가상신약탐색과

핵자기공명분광법은 질병퇴치를 위한 신약개발에서 가장

대표적으로 쓰이는 방법이다. 본 연구실에서는

핵자기공명분광법과 컴퓨터 모델링을 이용하여 단백질,

탄수화물, 펩타이드 등의 생체활성물질의 삼차원구조 및

동력학을 연구하며 질병을 일으키는 단백질들의 기능과

구조를 바탕으로 그 기능을 저해하거나 활성화 시킬 수

있는 신약후보물질을 발굴하는 연구를 수행중이다. 현재

구조화학연구실은 김양미 교수를 주축으로 연구교수 1명과

박사과정 2명, 그리고 7명의 석사과정 학생들로 구성되어

유전자 클로닝부터 단백질 정제 및 핵자기공명분광법을

이용한 구조 분석, 그리고 컴퓨터를 이용한 가상신약탐색

(in silico Screening)까지 각자의 분야를 구축하고 열심히

연구를 수행하고 있다. 본 연구실에서는

한국기초과학지원연구원, 서울대학교 공동기기원,

건국대학교의 NMR 기기를 이용하여 연구를 수행하고

있으며 모델링을 위해서는 Accelrys사에서 제공하는

software package 를 갖추고 있다.

연구주제 및 내용

I. 단백질의 구조 및 동역학 연구

단백질의 구조는 경직된 구조가 아니라 항상 움직이고

있는 dynamic한 구조가 생리활성에 중요한 역할을 한다. 본

연구실에서는 Angiogenin, Heparin Binding Domain (HBD),

항생펩타이드, Acyl carrier protein (ACP)등의 여러 가지

단백질들의 삼차원 구조 및 동력학 연구를 수행하여 이들의

작용기작에 대해 연구하고 있다. 특히 저해제등의 기질이

결합할 때 이들의 구조적 유동성이 단백질의 활성에 중요한

역할을 하고 있음을 연구하고 있다. 그림 1에 HBD를

이용한 단백질 구조 동력학 결과에 대한 그림을 수록하였다.

II. 항생제 (Antibiotics) 및 항생펩타이드 개발

지방산합성에 있어서 아실기를 전달하는 역할을 하고

이를 위해 많은 단백질들과 상호작용을 한다. 본 연구실은

그림 1. HBD단백질의 동력학 연구


핵자기공명분광법을 이용하여 E. coli 및 여러 가지

내성균주 ACP의 삼차원구조를 규명하고 동력학 연구를

수행하여 그 작용기작을 규명한다. 또한 여러 가지 길이의

아실기를 붙인 ACP의 구조와 동역학 연구로 구조의

유연성이 아실기를 전달하는 ACP의 기능에 미치는 영향을

규명한다. β-Ketoacyl-acyl carrier protein synthase (KAS)는

ACP와 함께 지방산 사슬의 길이를 연장시키는 데 중요한

단백질이다. 핵자기공명분광법과 가상신약탐색 방법을

이용하여 KAS와 ACP의 상호작용을 연구하고 내성균주

KAS 단백질의 저해물질을 발굴하여 내성균주 퇴치를 위한

항생제를 개발하고자 하고 있다. 또한 모방형펩타이드의

설계 및 합성, 대량생산, 활성, 구조연구를 통한 고기능

펩타이드 항생제를 개발하고 있다. 현재, E. coli 와

내성균주인 S. aureus 및 E. faecalis 균에 유효한 항생물질을

발굴하여 항생펩타이드와 시너지 효과를 검증하여 최적

의 항생물질을 발굴연구를 진행 중이다 (그림 2). 이

연구과제는 과학기술부의 분자 및 세포기능디스커버리

사업으로 선정되었다.

III. Methyltransferase 관련 연구

도파민 또는 아드레날린과 같은 neurotransmitter의

대사를 조절하는 대표적인 단백질 무리는 methyltransferase

이다. 본 연구실은 파킨슨병 치료제 개발의 대표적인

표적단백질로 알려진 Catechol O-methyltransferase

(COMT)과 아드레날린 대사의 최종단계에 관여하여 생체

내에서 아드레날린 합성 단백질로 알려져 있으며,

알츠하이머병과 관련 있는 Phenylethanolamine N-methyl -

transferase (PNMT) 리간드를 발굴하고 단백질-리간드

사이의 결합구조를 규명함으로써 작용기작을 밝히고 있다.

HPLC를 이용하여 리간드의 대사를 검증하고 NMR을

이용하여 PNMT와 리간드의 결합여부를 확인한다. (그림 3).

본 연구에서는 천연화합물인 flavonoids 계열 화합물을

의약적 효과가 있는 리간드로 개발하고 있으며 교육부의

중점연구소과제를 수행중이다.

IV. 알츠하이머병 (AD) 관련 연구

뇌에서 AD가 발생한 영역의 경우 Vascular endothelial

growth factor (VEGF) 단백질이 정상 뇌의 경우보다

현저하게 부족한 양상을 나타낸다. 이것은 알츠하이머병

환자에게서 나타나는 아 로이드 펩타이드 침전이 형성될

때 VEGF도 함께 침착 되며 VEGF165의 C-말단에 존재하는

heparin binding domain (HBD)이 이 현상에 관여한다고

그림 3. NMR을 이용한 PNMT와 억제제의 binding test

그림 2. S. aureus KAS III의 가상신약탐색 과정


알려져 있다. 따라서, HBD에 아 로이드 펩타이드의

결합을 저해함으로써 알츠하이머병의 치료에 큰 효과를

가져 올 것으로 기대한다. 본 연구실에서는

핵자기공명분광법을 이용하여 VEGF165 의 HBD의 구조,

동력학 연구와 heparin 과의 결합구조를 결정하고

아 로이드 펩타이드 와의 결합 저해제를 개발하여 이들의

작용기작을 규명하는 연구가 학술진흥재단의

기초연구과제로 선정되어 수행중이다.

V. 비만 및 당뇨 관련 연구

지금까지 당뇨병 치료제 개발을 위해 표적단백질로

가장 잘 알려진 단백질 중의 하나가 Peroxisome proliferator-

activated receptors (PPARs)이다. PPARs를 표적으로 한

당뇨치료제는 이미 상용화 되어있다. 이들 단백질의 또

다른 역할 중의 하나인 지방조직 (adipocyte)에서의

지방세포 조절 작용으로 PPARs는 최근 비만의 표적으로

각광받고 있다. 따라서, 비만, 당뇨 등의 대사성 질환에

관련된 PPARs 에 대해 가상신약탐색 방법 및 NMR을

이용하여 신약후보물질을 발굴하고 단백질과의 상호작용

연구를 통하여 좋은 결과를 보이고 있다.

맺음말

본 연구실은 핵자기공명분광법을 이용한 항생

펩타이드의 구조 규명과 동력학 연구를 기반으로 하여

현재에는 유전자 클로닝, 가상신약탐색에 이르기까지

연구규모나 내용면에서 큰 발전을 거듭해 왔으며 이들

연구는 신약개발이라는 큰 목적아래 다양한 주제를 통해

수행되고 있다. 각 연구 주제가 각기 다른 질병을 표적으로

하여 핵자기공명분광법과 가상신약탐색이라는 두 가지의

방법을 이용하여 수행되고 있으며 지금까지의 연구 경험과

기술력으로 좋은 결과를 얻고 있다. 각자의 연구 분야에

대한 열띤 토론과 선의의 경쟁, 열의로 각자의 전문분야를

구축하여 꿈을 성취하고 있는 곳이 바로 건국대학교

구조화학 연구실이다. (이지영박사 jyoung @konkuk.ac.kr)


1990년 울산의대에 기초의학교실들이 생기면서 미국

Southern California 대학교 의과대학에서 생리학을 전공한

장연진 선생님이 임용되어 학생들의 생리학 교육을 담당하

게 되었다. 이 때에는 강의 일부는 외부강사에 의해 이루어

졌으며 미처 실습시설을 갖추지 못한 상태에서 제한된 실

습만을 수행할 수 있었고, 연구는 아산생명과학연구소 내

에 실험실을 차려 수행하였다. 이듬해인 1991년, 미국

Massachusetts 대학교 의과대학 생리학교실에서 부교수로

있던 박춘식 선생님이 울산의대 교수로 임용되어, 두 교수

가 학생들의 생리학 강의와 실습을 담당하게 되었다. 이렇

게 하여 차츰 생리학 교육의 골격이 잡혀졌고 실습 및 연구

에 필요한 시설과 기자재를 갖추게 되었으며 교실에 조교

도 배정되어 현재 광주 과기원 부교수로 있는 장성호 선생

님이 첫 조교로 발령을 받았다. 이 시기에 교실이 독립된 실

험실을 갖게 되어 학생교육에 필요한 실험과 연구를 많이

수행하였는데, 박춘식 교수는 주로 레닌 분비에 관한 연구

를, 장연진 교수는 인슐린 저항성 및 당뇨병에 관한 연구를

수행하여, 교내외 연구비를 수혜하였고 조교들과 연구원들

이 연구에 참여하였다. 기초의학교실에 주임교수제가 도입

된 1992년에 박춘식 교수가 초대 주임교수로 취임하여 교

실내의 업무 수행이 좀더 조직화되었다. 1997년에는 영국

옥스퍼드 대학교 의과대학 생리학교실에서 박사후연구원

(postdoctoral research fellow) 으로 있던 임채헌 선생님이 임

용되어 전기생리 및 심장순환기생리학 분야의 연구와 교육

을 담당하게 되었다. 박춘식 교수가 6년의 주임교수 임기를

마친 1998년에 장연진 부교수가 주임교수로 취임하였다.

2002년에는 코넬 대학교 의과대학에서 생리학을 전공한 최

한석 선생님이 임용되어, 그 동안 부족하였던 분자생리학

분야의 연구와 교육을 담당하게 되었다. 박춘식 교수는

2004년에 정년퇴임을 하였다. 현재 본 교실은, 세부 전공분

야가 각기 다른 세 명의 교수가 학생들의 생리학 교육을 분

담하여 수행하고 있으며, 또한 연구에 있어서도 서로 협력

하고 있다. 현재 세 명의 교수 외에 조교 4명, 박사과정 대학

원생 1명, 연구원 1명 등이 학생 교육과 연구에 참여하고 있

다. 울산의대 예과 교육과정에서는 인체 생리학을 이해할

수 있는 기본적인 생리학 교육과정을 확립하고 본과 교육

과정에서는 임상의학을 이해하기에 충분한 생리학 교과과

정 확립하여 학생 교육에 힘쓰고 있으며 대학원 교육과정

에서는 생리학의 각 분야에 대한 교육을 시행함으로써 의

학교육 및 연구능력을 갖춘 인력을 배양하도록 하고 있다.

최근 본 교실에서는 서로 다른 세부전공을 가진 교실내의

연구자들이 다양한 접근법으로 “인슐린 저항성 및 당뇨병

의 기전에 관한 연구”, “심근세포의 피지옴 모델 개발”, “신

약 개발을 위한 약물-수용체 결합모델과 약물 반응 실험의

분자 생리학적 연구” 라는 여러 연구과제에 대한 협력연구

를 수행하여 상당한 연구성과를 거두고 있다. 타 교실 및 타

연구기관과도 공동 연구를 수행 중에 있다.

장연진 교수 실험실에서는 인슐린저항성 및 당뇨병의

기전에 관한 연구를 수행해왔다. 최근에는 주로, 다양한 세

포기능의 신호전달 과정에서 가장 중추적인 역할을 한다고


울산대학교 의과대학 생리학교실


알려진 칼슘이 인슐린저항성과 인슐린작용에 관여할 가능

성 및 그 역할에 관심을 갖고 있다. 신호전달-세포반응 유발

과정에 있어서 세포 내 칼슘 농도의 변화는 매우 순간적으

로, 증가된 세포 내 칼슘 농도는 여러 경로의 negative

feedback system에 의해 곧 기저농도로 회복된다. 그러나 조

절기전의 이상으로 인해 세포 내 칼슘 농도가 지속적으로

증가되어 있으면, 병적 상태가 유발되어 세포의 기능저하

가 초래될 수 있다. 인슐린의 세포 내 신호전달에 칼슘이 관

여할 가능성은 오래 전부터 제시되어 왔으나 아직 명확하

지 않으며, 인슐린 감수성이 저하된 사람에서 세포 내 칼슘

농도가 정상인에 비해 높은 것이 보고된 바 있다. 이러한 기

존의 데이터를 바탕으로 이 실험실에서는 고지질식이로 인

슐린저항성을 유발한 쥐에 세포 내 칼슘 완충제인 dimethyl-

BAPTA/AM을 투여하였더니 인슐린저항성이 완화됨과 동

시에 증가되었던 지방세포 내 칼슘 농도가 정상화됨을 관

찰하였다. 이에 이어, 유리지방산 유발 인슐린저항성 세포

모델을 이용하여 인슐린저항성에 세포 내 칼슘 농도의 증

가가 기여한다는 가설을 뒷받침하는 직접적인 데이터를 얻

었으며 이에 관련된 세포 내 기전을 알아내고자 노력하고

있다. 한편으로는, 인슐린감수성 지방세포주를 이용하여

인슐린에 의한 포도당 운반 촉진과정에서 칼슘이 필수 요

소임을 확인하였다. 표적세포에서 인슐린은 세포내에 있던

GLUT4-소포를 세포표면 쪽으로 exocytosis 시킴으로써 포

도당 운반을 촉진한다는데 착안하여 인슐린에 의한

GLUT4-소포 exocytosis 과정에 관여하는 칼슘의 표적단백

을 알아내는 실험을 수행하고 있다. 이와 같이 이 실험실에

서는 칼슘이 인슐린의 세포 내 신호전달에 관여하는 한편,

칼슘농도 조절기전의 이상으로 인한 세포 내 칼슘농도의

지속적인 증가는 인슐린저항성에 기여한다는 가설을 분자

생물학적, 세포생물학적 또는 in vivo 동물실험 등 다양한

접근방법을 동원하여 증명하고자 노력하고 있다. 이러한

연구노력은 이 분야의 오랜 관심사인 인슐린의 세포 내 작

용기전에 대한 이해를 넓히고, 당뇨병의 주요 병인요소인

인슐린 저항성의 원인기전을 밝히는데 기여할 것이다.

임채헌 교수 실험실에서는 심근세포에 대한 전기생리

학 실험과 분광형광계 실험 등이 이루어 지고 있으며 그러

한 실험 자료를 바탕으로 심근세포 피지옴을 개발하고 있

다. 여기서 피지옴이란 생명체 각각의 구성 요소가 전체 구

조에서 어떻게 생명현상에 기능적 기여를 하는지 분석하고

모델화하고자 하는 것이다. 실험실에서는 토끼 심방 및 폐

정맥 내 심근세포에 대한 전기생리학적 연구와 쥐 또는 토

끼 심실근세포 미토콘드리아의 대사, Ca2+, 막전압 변화의

상관관계에 대한 연구들이 이루어지고 있다. 토끼 폐정맥

내 심근세포에 대한 연구가 많이 이루어지고 있는데 왜냐

하면 의학적으로 인간의 폐정맥 부위가 심방세동 유발에

매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있고 따라서 폐정

맥 내 심근세포에 대한 연구를 통해 심방세동의 발생기전

발견과 심방세동 치료제 개발 등이 이루어질 수 있기 때문

이다. 또한 쥐나 토끼 심근세포의 미토콘드리아에 대한 연

구가 이루어지고 있는 것은 세포의 생존에 필요한 ATP 생

산 소기관이면서 심근세포의 여러 가지 기능유지, 특히 대

사 및 Ca2+ 조절에 미토콘드리아가 중요한 역할을 하는 것

으로 알려졌는데 그 조절기전들 및 상호관계에 대해 아직

까지 밝혀지지 않은 부분들이 많기 때문이다. 특히 임채헌

교수 연구팀은 심근세포 미토콘드리아의 NADH, Ca2+, 막

전압을 동시에 측정할 수 있는 장치를 자체 개발하여 연구

를 진행하고 있다. 이렇게 측정한 실험 자료들을 바탕으로

컴퓨터를 이용해 심근세포의 피지옴을 개발하고 있다. 심

근세포 피지옴에는 일차적으로 심장세포의 중요한 현상 중

하나인 활동전압 구현이 포함되며 이 안에는 심장세포에

존재하는 모든 이온통로의 역학적 요소가 들어가 있어 각

각의 이온통로의 활동에 따라 나타나는 활동전압의 변화를


구현할 수 있게 된다. 여기에 더해서 세포 내 이온 농도 조

절기전들, 심장근세포의 중요기능인 수축기전, 그리고 미

토콘드리아 대사활동에 의한 영향 등, 세포 수준에서 기능

적 요소들의 역학적 변수들을 고려하여 실제 심근세포에서

일어나는 현상을 가상공간에 구현하고 있다. 더 나아가 이

러한 가상세포를 이용하여 실제 심근조직 또는 장기를 구

현하여 2차원 또는 3차원적 해석을 도모하고 심근세포 수

준의 기능적 변화가 혈류 역학적 측면에서 어떻게 영향을

줄 수 있는지를 보고 연구하고 있다. 특히 심방세동과 관련

하여 심방세동의 주 유발부위인 폐정맥 내 심근세포의 모

델을 개발하고 있으며 이러한 모델을 향후 심방근세포 모

델과 결합하고 조직을 구성하여 심방세동 발생기전을 규명

하는데 활용하고자 하고 있다. 임채헌 교수 연구팀은 현재

국내 피지옴 분야의 선두주자로서 국내 피지옴 연구 발전

을 위해서 많은 공헌을 하고 있다.

최한석 교수 실험실에서는 주로 membrane protein의 구

조와 기능에 대해서 연구가 이루어지고 있다. Membrane

protein중에서도 ion channel, GPCR, transporter, ion

exchanger등에 초점이 맞춰지고 있다. Ion channel의 경우 특

히 long QT syndrome과 접한 관련이 있는 HERG channel

의 구조와 기능에 관심이 많다. 그래서 HERG channel이

HEK293 세포에서 항상 발현하는 stable cell line을 만든 다

음 whole cell patch clamp 실험을 하고 있다. 그리고 HERG

channel의 homology model을 만든 다음 HERG channel

blocker들이 HERG channel을 어떻게 block하는지 컴퓨터 상

에서 도킹시켜 봄으로써 blocking mechanism을 이해하고 나

아가서 여러 small molecules들의 HERG channel IC50를 예

측하고자 노력하고 있다. GPCR의 경우 인간의 genome에

약 800여 개가 존재하는데 이 중 후각에 중요한 olfactory

GPCR을 제외한 400여 개의 GPCR 대부분이 신약타깃이 될

수 있다. 현재까지 약 30개의 GPCR에 대한 약이 전 세계적

으로 판매되고 있는데 이들만 가지고도 현재 세계 제약시

장의 40%를 차지한다고 한다. GPCR의 경우도 유일하게 구

조가 밝혀진 rhodopsin 의 구조를 이용하여 homology

modeling을 한 다음 GnRH receptor나 vasopressin receptor들

에 여러 리간드들이 어떤 식으로 결합하는지를 컴퓨터로

시뮬레이션해서 mutant 실험 데이터를 설명하고자 노력하

고 있다. 한편 GPCR은 E. coli에서 대량 발현이 안 되기 때

문에 yeast expression system을 이용하여 대량발현을 시도하

고 있다. 또한 수명연장과 관련이 깊은 SIRT1 단백질과 그

것의 activator인 resveratrol의 구조적 관계에 대해서 연구를

시작하고 있다. 그리고 정제된 단백질들의 구조를 X-ray

crystallography 기법을 이용하여 밝혀내고 있다. 한편

molecular dynamics simulation 기법을 이용하여 여러 단백질

들의 분자 레벨에서의 기능을 이해하고자 노력하고 있다.

마지막으로 virtual screening을 할 수 있는 프로그램을 이용

하여 중요 질병에 관련이 깊은 타깃 단백질들의 inhibitors

내지는 activators를 찾아 내는 기틀을 마련하고 있다.

Documents

Korean Biophysical Society Newsletter · 생물학을 위한 홑분자 분광학 기술들 홍성철 (서울대학교 물리천문학부) Protein-protein interaction in the initiator