생명의 비밀을 선명하게 보는 ‘분자안경’, 생명 과학의 새로운 시대를 열다!
- DGIST 융합연구원 이윤희 박사, 단일 분자 연구를 위한 탄소 나노튜브 트랜지스터 개발
- 압타머-리간드 상호작용 해석 통해 나노 기술과 분자 생물학 연구에 혁명을 일으킬 새로운 도구의 탄생 기대돼
DGIST(총장 이건우)는 융합연구원 바이오융합연구부 이윤희 선임연구원이 분자들이 어떻게 서로 상호 작용하는지 세밀하게 살펴볼 수 있는 ‘분자 안경’ 기술인 탄소나노튜브 트랜지스터 기술을 개발했다고 30일(화) 밝혔다. 이 기술을 통해 나노 기술 및 분자 생물학 분야에서의 새로운 연구 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
미세한 전하를 세로토닌, 도파민과 같이 작은 입자들은 우리 몸 안에서 중요한 역할을 한다. 이들이 어떻게 움직이고 상호작용하는지를 이해하는 것은 매우 중요한데, 지금까지는 미세한 상호작용을 포착하는 데에 한계가 있었다.
이에 이윤희 박사는 ‘탄소나노튜브’를 이용해 전례 없는 감도와 해상도를 가진 ‘분자안경’인 분자 연구용 트랜지스터를 개발했다. 탄소나노튜브는 아주 작은 크기와 더불어 높은 전도성, 강한 강도와 유연성을 가지고 있다. 이 때문에 탄소나노튜브를 이용해 분자를 관찰하는 이 기술을 이용한다면 생체 내에서 미세한 전하를 띄는 세로토닌, 도파민 등의 신경 전달물질과 그들의 결합 파트너 사이의 상호작용을 보다 관찰할 수 있다.
특히, 이윤희 박사는 본 기술을 이용해 세로토닌 및 도파민 저분자체와 상호작용하는 압타머의 네 가지 상태의 구조적 전환을 포착하여, 기존에 알려지지 않았던 압타머-리간드 분자 간의 복잡한 상호작용을 밝혀내는 데 성공했다.
본 연구 결과는 고정밀도로 분자 간 상호작용을 연구하는 것에서 나아가 미래의 나노 의학 및 생체 분자 공학 분야에 있어 중요한 도구로 쓰일 것으로 기대된다.
DGIST 바이오융합연구부 이윤희 박사는 “이 기술은 분자 수준에서의 상호작용을 더욱 세밀하게 이해할 수 있는 새로운 창을 열어 줄 것이다.”라며 “향후에도 분자 진단 및 질환 연구의 비용 및 기술적 장벽을 낮추고, 분자 수준에서 생체 시스템을 제어할 수 있는 정밀 의료 기술을 사회에 제공하고 싶다.”고 밝혔다.
한편, 이번 연구결과는 나노 기술 분야 최고 권위 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 1월 17일 온라인 발표됐다. 미국 컬럼비아대학교 연구팀과 협력해 발표한 이 논문은 이윤희 선임연구원이 제1 저자로, 컬럼비아대학교 Kenneth L. Shepard 교수가 교신저자로, Jakob Buchheim 박사가 공동 제1 저자로 참여했다. 또한, 본 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었다.
연구결과개요
Yoonhee Lee, Jakob Buchheim, Björn Hellenkamp, David Lynall, Kyungae Yang, Erik F. Young, Boyan Penkov, Samuel Sia, Milan N. Stojanovic & Kenneth L. Shepard*
(Nature Nanotechnology, Online published on January 17, 2024)
신경전달 물질과 같은 작은 분자들은 생명 체계에서 중요한 생화학적 기능을 수행한다. 기존의 자외선-가시광선 분광법과 질량 분석법은 휴대성이 부족하며 현장에서 시간 해상도가 높은 측정에 부적합하고, 전류계측법이나 전통적인 장 효과 트랜지스터 검출은 탐지 가능한 신호 수준에 도달하기 위해 많은 분자가 필요하다. 이에 착안하여 우리는 단일 분자를 검출할 수 있는 탄소나노튜브 기반 단일 분자 장 효과 트랜지스터(smFETs)의 잠재력을 보여준다. 탄소나노튜브에 프로브 분자인 DNA 압타머 한 개가 공유 결합으로 형성되며, 이는 나노튜브의 전기 전도도에서 뚜렷한 변화로 나타난다. 또한, 우리의 시스템에서 리간드인 세로토닌 분자의 결합에 따른 압타머의 형태 변화와 반응 속도를 특이적인 신호 패턴으로 실시간 관찰하면서, 세로토닌을 감지하고 정량화할 수 있음을 보여준다. 이 데이터는 압타머-리간드 시스템의 동력학에 대한 숨겨진 정보를 제공한다. 특히, 분석을 통해 G-사중나선 구조의 형성과 세로토닌-압타머 복합체의 헤어핀 구조의 붕괴가 형태 변화에 관여함을 보여줌을 확인하였다. 이 기술은 높은 시간 해상도를 가진 단일 분자 수준에서 분자 상호작용을 분석하는 라벨 없는 접근 방식으로, 복잡한 생물학적 과정에 대한 추가적인 통찰력을 제공할 수 있다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
기존의 FET 바이오센서들은 게이트 채널에 연결된 조밀한 프로브 분자들의 집단 신호를 읽어내야 했다. 이러한 방식은 분자 상호작용의 동역학적 정보를 포착하는 데에 한계가 있었다. 반면, 본 연구의 smFET은 단일 프로브를 게이트 채널에 도입하여, 단일 분자의 빠른 동역학을 관찰할 수 있는 뷰포인트를 제공한다. 이는 기존의 광학적 기술에 대비하여 복잡한 장비나 광표백의 제한 없이, 무 표지 (label-free)로 분자 상호작용을 장기간 관찰할 수 있다.
어디에 쓸 수 있나
이 기술은 저농도 검출 및 다중 검출을 위한 고밀도 센서 어레이로 확장하여 공간적으로 분산된 분석물 검출, 특히 뇌 영역에서의 분석물 검출에 활용하여 신경 활동과 신경 전달 물질 방출 간의 상관관계를 밝히고, 뇌 신경망의 더욱 상세한 데이터 획득이 가능하다. 이를 통해 뇌 질환의 정밀 예측 및 조기 진단에 활용할 수 있다.
실용화까지 필요한 시간은
현재 신경 전달 물질 외에도 돌연변이 유전체, 환경 독성 물질 등의 다양한 분석물에 대한 검증을 완료하였으며, 약 3년 내 실용화 가능할 것으로 예상한다.
실용화를 위한 과제는
실용화를 위해서는 센서 어레이의 집적도와 폼팩터를 확장하여 비침습적, 최소침습적 바이오센서 프로브 및 리더기를 개발하고, ex vivo, in vivo 적용을 꾀할 수 있도록 반도체, 뇌 연구자, 의료진들과의 융합 과제가 필요하다.
연구를 시작한 계기는
기존의 현미경 기반의 단일 분자 동역학 연구의 복잡성을 극복하기 위해, 바이오 반도체를 이용하여 고 처리량 단일 분자 센서 플랫폼 개발에 집중하였다. 단일 분자 센서를 고밀도 병렬 행렬로 배치하기 위해 탄소나노튜브에 단일 프로브를 수식하는 바이오 반도체 어레이를 제작하는 표면 개질 화학 기술에 주력하였다.
어떤 의미가 있는가
단일 분자 검출 및 미세한 크기의 분자 상호작용의 숨겨진 중간체 구조 변이를 전기적으로 포착하는 방법을 제공하며, 또한 압타머-리간드 결합의 동적 농도 구간 (dynamic range)를 전기적으로 제어할 수 있음을 제시한다.
꼭 이루고 싶은 목표는
분자 진단 및 질환 연구의 비용 및 기술적 장벽을 낮추고, 분자 수준에서 생체 시스템을 제어할 수 있는 정밀 의료 기술을 사회에 제공하고 싶다.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(DGIST) 등록일2024.01.30