세포의 ‘식료품 창고’에서 벌어지는 일 실시간 관찰
우리 몸의 ‘식료품 창고’인 지질 방울 내 물질대사를 실시간으로 관측할 수 있게 됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 살아있는 세포 내 지질 방울에서 중성 지질이 합성되는 과정을 실시간으로 관측하는 데 성공했다.
지질 방울은 우리 몸의 세포들이 영양분을 축적하는 작은 세포 기관이다. 식료품 창고에 음식을 축적하듯 영양분을 모아뒀다가 필요할 때 지방 형태로 에너지를 공급한다. 최근 지질 방울이 다양한 세포 소기관과의 상호작용을 통해 지질 독성 조절, 세포 통신 등의 다양한 대사활동을 수행하고 있는 것으로 밝혀지며 역할이 재조명되고 있다. 지질 방울의 크기와 총량이 비만, 비알코올성 지방간 등 질병과 상관관계가 있다는 것이 밝혀지기도 했다.
중요성에도 불구하고 그동안 지질 방울 기능 연구에는 한계가 있었다. 기존 연구에서는 형광 현미경을 사용해왔는데, 지질 방울의 주요 내용물인 중성 지질에 특이적이고 효과적인 형광 표지 방법이 없어 중성 지질의 성분과 양을 정확하게 파악하기 어려웠다. 게다가, 형광 표지에 사용되는 염료는 광표백 현상으로 인해 살아 있는 세포의 지질 방울 대사를 충분히 긴 시간 동안 연구하기도 힘들었다.
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단은 기존 한계를 넘어, 지질 방울의 대사를 장시간‧실시간 관측하는 데 처음으로 성공했다. 연구진은 자체 개발한 이중 색상 적외선 광열 현미경을 이용해 지질 방울의 공간 분포 및 중성 지질 합성 과정을 관측했다. 이 현미경을 이용하면 특수 고안된 형광 염료를 투입하지 않고도 적외선 레이저를 이용해 생체 분자들을 선택적으로 정량하고, 추적할 수 있다.
이를 통해 연구진은 세포가 과량의 지방산에 노출되면 발생하는 지질 독성에 의해 세포 내 중성 지질 합성이 촉진되는 현상을 확인했다. 이어 중성 지질이 합성될 때 나타나는 신호 변화를 바탕으로 개별 지질 방울 속에 존재하는 기존의 중성 지질과 새로 합성된 중성 지질 간의 상대적 비율을 시간에 따라 분석해냈다.
제1저자인 박찬종 연구원은 “상대적 비율의 시간에 따른 변화를 통해 중성 지질의 합성 속도를 알 수 있다”며 “암, 비만 등 많은 질병이 중성 지질 합성 양상 변화를 수반한다고 알려진 만큼, 우리 연구진이 개발한 중성 지질 대사 관측 방법론은 다양한 질병 진단을 위한 수단이 될 것으로 기대한다”고 설명했다.
연구를 이끈 조민행 단장은 “세포 내 지질 방울의 기능에 대해 분자 수준에서 연구할 수 있는 새로운 바탕을 마련했다는 의미가 있다”며 “향후 세포 내 지질 방울이 질환에 어떤 역할을 미치는지 연구하여 간 질환을 진단하는 새로운 방법을 제시해보고자 한다”고 말했다.
연구 결과는 영국 왕립화학회(The Royal Society of Chemistry)가 발행하는 국제학술지 ‘케미컬 사이언스(Chemical Science, IF 9.969)’ 1월호 표지논문(1월 28일 발간)으로 실렸다.
논문명/저널명
저자정보
Chanjong Park, Jong Min Lim, Seok-Cheol Hong, and Minhaeng Cho
연구 이야기
[연구 배경] 최근 많은 연구에서 지질 방울의 역할이 재조명되어, 지질 방울의 다양한 기능 연구가 더욱 필요하다는 인식이 높아지고 있다. 그러 살아 있는 세포 내에 존재하는 지질 방울을 직접 관찰 연구하는 것은 매우 어려운 과제였다. 본 연구팀은 이러한 어려움을 극복하기 위해 세포 내 중성 지질을 외부에 가해주는 특수한 표지자 없이 오랜 시간 동안 측정하고 분석할 수 있는 이중 적외선 광열 분광법을 개발하고, 지질 방울의 기능과 중성 지질의 합성과의 관련성을 밝혀내고자 연구를 진행하게 되었다.
[어려웠던 점] 본 연구팀에서 자체 개발한 이중 색상 적외선 광열 현미경을 활용하여 지질 방울을 관측하는 동안, 지질 방울의 크기와 모양의 다양성으로 인해 사용된 빛의 산란과 굴절 정도가 매우 다르게 나타남을 알게 되었다. 따라서 이렇게 측정한 신호가 어떤 정보를 담고 있는지 특히 중성 지질의 양이 어떻게 변하는지를 규명하는 데 어려움이 있었다. 지질 방울의 형태와 상관없이 중성 지질의 양을 측정할 수 있는 신호 보정 방식을 정립하기 위해 많은 반복 실험을 해야 했다.
[성과 차별점] 기존의 적외선 광열 현미경을 이용해서는 동시에 다양한 생체 내 분자들의 정보를 얻을 수 없었기에 순차적인 측정이 필수적이었다. 이러한 접근법은 살아 있는 세포에서 두 가지 이상의 생분자들의 상호 작용을 관측하기에는 어려움이 있다. 본 연구팀에서 개발한 이중 색상 적외선 광열 현미경법은 두 개 이상의 생분자 혹은 세포 소기관에 대한 연구를 수행할 수 있다. 이 장점을 이용해서 지질 방울 내에 새롭게 합성된 중성 지질과 기존에 이미 존재하고 있던 중성 지질을 구분하고 이들의 상대적인 양을 정량하는데 성공했다. 특히, 이러한 특성을 바탕으로 살아 있는 세포 내 지질 방울에서 중성 지질이 합성되는 과정을 실시간으로 관측할 수 있었다.
[향후 연구계획] 지질 방울의 크기와 총량은 다양한 간 질환(비만, 비알콜성 지방간 등)의 표지자로 활용되고 있다. 연구팀에서 개발한 이중 색상 적외선 광열 현미경을 이용한 중성 지질 관측이 간에서 유래된 세포(Huh-7 cell)에서도 잘 작동하는 것을 본 연구를 통해 이미 확인하였다. 이를 바탕으로, 간세포에서의 지질 대사에 대한 연구를 좀 더 깊이 있게 수행하여 세포내 지질 방울이 간 질환에 어떤 역할을 하고 있는지에 대해 추가 연구를 수행할 예정이다. 이를 통해 간 질환을 진단하는 새로운 방법을 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
[그림 1] Chemical Science 1월호 표지 이미지
세포 내 지질 방
울에서 다양한 효소들에 의해 지방산이 중성 지질로 합성되는 과정을 표현했다. [사진=기초과학연구원]
[그림 2] 이중 색상 적외선 광열 현미경법을 이용한 세포 내 지질 합성 과정 연구
IBS 연구진은 세 개의 광원(두 개의 적외선 여기 광원과 한 개의 가시광선 탐침 광원)을 활용해 세포 시료를 분석하는 과정(좌측)과 이렇게 발생한 탐침 광원의 신호를 분석하여 세포 내 지질 방울의 중성 지질이 시간에 따라 합성되는 것을 관측할 수 있었다(오른쪽 사각형 내부). [사진=기초과학연구원]
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(기초과학연구원) 등록일2024.01.29