KAIST, 알츠하이머 유발 단백질 단분자 거동 관찰

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 퇴행성 질환을 유발하는 아밀로이드 섬유 단백질의 초기 불안정한 움직임과 같은 생명 현상을 분자 수준에서 실시간 관찰할 수 있는 기술을 개발했다.

육종민 KAIST 신소재공학과 교수.(사진=KAIST)

육종민 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀은 한국기초과학지원연구원, 포항산업과학연구원, 성균관대 약대 연구팀과 그래핀을 이용해 알츠하이머 질병을 유발한다고 알려진 아밀로이드 섬유 단백질의 실시간 거동을 관찰할 수 있는 새로운 단분자 관찰 기술을 개발했다.

단분자 관찰 기술은 단일 분자 수준에서 발생하는 현상을 관찰할 수 있는 기법이다. 단백질 간 상호작용, 접힘, 조립 과정 등을 이해하는 데 핵심적인 기술이다. 기존에는 단분자 관찰 기술로 형광 현미경을 이용해 관찰하거나, 단백질을 급속 냉동시켜 움직임을 고정해 분자 구조를 해석하는 초저온 전자현미경 기법을 썼다.

초기 아밀로이드 섬유 내에서 발생하는 불안정성의 분자 단위 실시간 이미지.(자료=KAIST)

하지만 자연 그대로의 단백질을 특별한 전처리 없이 분자 단위에서 실시간으로 관찰하는 기술은 없었다. 대안으로 물질을 얼리지 않고 상온 상태에서 관찰하는 액상 전자현미경 기술이 주목받고 있다. 이 기술은 얇은 투과막을 이용해 액체를 감싸 전자현미경 내에서 물질 변화를 관찰할 수 있는 기술이지만, 두꺼운 투과 막에 의한 분해능 저하와 전자빔에 의한 단백질 변성을 해결해야 했다.

연구팀은 그래핀을 이용해 막에 의한 분해능 저하와 전자빔에 의한 단백질 변성 문제를 해결하고, 단백질의 거동을 실시간 관찰할 수 있는 단분자 그래핀 액상 셀 전자현미경 기술을 개발했다. 이후 알츠하이머 질병을 유발한다고 알려진 아밀로이드 베타 섬유의 초기 성장 과정에서 발현되는 분자 불안정성을 관찰했다.

개발한 전자현미경 기술을 이용하면 단백질의 다양한 거동들을 분자 수준에서 관찰을 가능할 수 있다. 앞으로 코로나19와 같은 바이러스성 단백질 감염 과정, 퇴행성 질환을 일으키는 아밀로이드성 단백질의 섬유화·응집 거동과 같이 단백질의 상호작용에 의한 생명 현상을 이해하는 데 활용할 수 있다.

육종민 교수는 “분자 단위의 현상을 관찰할 수 있다면 단백질들의 상호작용을 이해하고 조절할 수 있는 실마리를 제공할 수 있다”며 “알츠하이머와 같은 퇴행성 질환의 신약 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 지난 11월 온라인으로 발표됐다.