공간오믹스 분석 기술 개발했다
한국뇌연구원은 뇌발달질환 연구그룹의 최영식 책임연구원 연구팀과 성균관대가 참여한 공동 연구팀이 국내 최초로 단일세포에서 공간 단백체를 분석하는데 사용할 수 있는 질량분석 원천기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
유전체와 전사체(RNA) 분석을 위주로 하는 단일세포 오믹스 분석 기술은 뇌질환뿐 아니라 생물학 연구 전반에 큰 영향을 끼쳤다. 하지만, 단백체는 유전체와 달리 중합효소증폭(PCR) 과정을 통해 양을 크게 늘리는 기술이 없어 단일세포 오믹스 연구에 한계가 있었다.
최근 해외에서 고가의 질량분석 장비를 활용하여 단일세포에서 수천 개의 단백체를 동시에 분석하는 기술이 개발되기는 하였지만, 공간 오믹스* 분석 연구를 하는 연구자에게 필요한 기술이 없고, 국내에서는 장비를 쉽게 이용하기 어려웠다.
* 공간 오믹스(Spatial omics) : 조직 내 세포 수준에서 위치를 고려한 분자 정보를 식별하고 분석하는 최첨단 기술
최영식 박사 연구팀은 기존의 질량분석 장비를 활용하여 하나의 세포에서 수천 개의 단백체 발현을 고속으로 정량 분석하고 공간 정보까지 분석할 수 있는 기술을 개발하였다.
연구팀은 기존 뇌질환 모델동물에서 뇌 조직의 3차원 영상을 만드는 기술과 단일세포에서 단백체 분석을 하는 기술을 함께 개발하여 뇌질환의 원인이 되는 신경회로의 3차원 이미지와 관련된 단일세포 단백체를 동시에 분석할 수 있는 기술적인 기반을 마련하였다.
현재 연구팀은 뇌질환이 시작되는 신경세포의 부위 규명에 대한 연구를 국내 바이오 기업인 ㈜메테오바이텍이 개발한 공간 오믹스 장비를 이용하여 진행하고 있으며, 앞으로 이번에 개발한 단일세포 단백체 분석기술과 고해상도 세포 분리 기술을 활용해 세포 소기관의 단백체 분석 기술도 개발할 계획이다.
최영식 박사는 “이번 연구는 단일세포 기반 오믹스 기술이 거의 100% 외국 기술에 의존하고 있는 상황에서 공간 오믹스라는 최신의 기술 개발에 필요한 단백체 분석 원천기술 개발을 국내 연구진이 단독으로 이뤘다는 것에 의미가 있다”며 “관심을 갖고 있는 뇌 면역세포에 의한 뇌질환 치료를 위한 연구에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 한국뇌연구원 장재명 연구원과 성균관대학교 여승은 연구교수가 제1저자로 참여했으며, 국제학술지 ‘분석 화학회보 (Analytical Chemistry, IF:6.7) 최신호에 게재되었다.
* (논문명) 손실 없는 마이크로 홀 수집 디스크를 사용한 양이온 계면활성제 및 촉매 기반 단일 세포 단백질체학 (원제: A zwitterionic detergent and catalyst-based single-cell proteomics using a loss-free microhole-collection disc)
* (저자) 장재명(제1저자), 여승은 (제1저자), 정현진, 최영식(교신저자)
1. 연구 배경
◦ 단일세포 오믹스 연구 기술은 최근 전사체 분석으로 각종 질환에 연관된 세포의 유전자 발현 지문을 개발하면서 뇌질환뿐만 아니라 생물학 전반에 엄청난 영향을 끼쳤으며 최근에는 조직의 공간 혹은 위치에 따라 비슷한 세포가 어떤 유전자 발현의 차이를 규명하는 연구가 활발하게 진행되고 있다
◦ 단백체는 유전체와 달리 중합효소증폭 과정을 통해 신호를 강화하는 기술이 없어 단일세포 오믹스 연구에서 한계를 가진 연구 분야였다. 최근 단일 세포에서 단백체 분석이 첨단 미세공정과 로보틱스 및 고사양의 질량분석 장비를 이용하여 개발되고 있으나, 이러한 장비에 대한 접근성이 부족한 연구자들이나 공간 오믹스 분석을 하고자 하는 연구자들에게 필요한 기술은 부재하였다
2. 연구 내용
◦ 본 연구는 기존의 질량분석 장비에서 단일세포 혹은 하나의 세포에서 수천개의 단백체 발현을 고속으로 정량 분석하는 기술이다
◦ 이러한 단일세포 단백체 분석 원천기술은 단일세포를 손쉽게 파쇄하고 단백체로부터 펩타이드 절단 및 정량 표지자 반응 등을 하나의 실험 단계로 일원화하는 용매 개발로 가능하였다
◦ 여러 개의 작은 구멍을 가진 원형 디스크인 마아크로홀 디스크 개발를 통하여 각각의 구멍에서 단일 세포의 단백체 분리 및 정량표지가 가능하였다. 이 디스크는 반응이 종료된 세포들을 하나의 튜브에 손쉽게 모은 후 소실없이 단백체 분석 신호를 증폭한다
3. 연구 성과 및 기대효과
◦ 단일 세포 단백체를 분석할 수 있는 기술개발을 위해 수 많은 문제를 새로운 아이디어와 발상의 전환을 통해 극복함으로써, 마이크로홀 디스크 및 단일세포 펩타이드 표지를 위한 용매를 개발하게 되었다. 개발된 기술을 토대로 기존의 질량분석 장비를 이용하여 고사양 질량분석 장비보다 우수한 단일세포 단백체 분석 원천 기술을 개발할 수 있었다. 이 기술은 기존의 단백체 분석을 단일 세포에서 가능할 뿐만 아니라, 최근 크게 발전하고 있는 공간 오믹스 기술과 접목되어 공간 오믹스가 더 이상 유전체에 머물지 않고 단백체 분석까지 가능성을 보여주는 기반 기술이 될 것이라고 본다.
단일세포 단백체 분석 원천기술의 개요.
단일 세포에서 펩타이드를 정량 분석을 위한 표지 및 질량분석 전처리 과정 전체를 디스크에 있는 구멍에서 하나의 스텝으로 처리 후 원심분리를 통해 모든 펩타이드를 하나도 소실되지 않게 모으는 원리를 이용하여, 암이 약물 저항성을 가지게 되는 원리를 시간에 따른 단백체 데이터의 연결구조 해석을 통해 제시하였다. [사진=한국뇌연구원]
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(한국뇌연구원) 등록일2024.07.22