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하나의 세포 안에는 단백질과 이온 및 신호 분자와 같은 수천 개의 분자가 함께 작업하며 영양분 흡수나 기억 저장, 특정 조직으로의 분화 등 온갖 종류의 기능을 수행한다.

이런 분자들과 이들의 모든 상호작용을 해독하는 일은 가히 기념비적인 일이라 할 수 있다. 지난 20년 동안 과학자들은 세포 내 개별 분자들의 역동성을 읽어내기 위해 형광 리포터를 개발했다. 그러나 현미경으로는 많은 형광색을 구별할 수 없기 때문에 이런 신호들은 한 번에 한두 개만 관찰이 가능하다.

최근 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀이 세포 전체의 아무 위치에서나 각 신호를 측정해 한 번에 5개의 서로 다른 분자 유형을 이미지화하는 방법을 개발해냄으로써 이 분야에 새로운 이정표를 세웠다.

이 연구는 생명과학저널 ‘셀(Cell)’ 23일 자에 발표됐다.

논문 시니어 저자인 에드워드 보이든(Edward Boyden) 신경기술 석좌교수(생물공학, 미디어아트와 과학, 뇌 및 인지과학)는 이 접근법을 통해 과학자들이 대부분의 세포 기능을 제어하는 복잡한 신호 네트워크에 대해 훨씬 더 많이 배울 수 있을 것이라고 말했다.

보이든 교수는 “유전체에 의해 암호화된 수천 개의 분자들이 우리가 이해하지 못하는 방식으로 상호 작용하고 있다”며, “이들을 동시에 관찰하는 방식을 통해서만 관계를 이해할 수 있다”고 덧붙였다.
 



이 연구에는 MIT 박사후 연구원인 창양 링구(Changyang Linghu) 연구원과 대학원생인 샤논 존슨(Shannon Johnson) 연구원이 논문 제1저자로 참여했다.

새로운 연구에서 보이든 교수팀은 새로 개발한 기술을 사용해 칼슘 신호에 대해 서로 다른 방식으로 반응하는 두 개의 뉴런 집단을 식별해 냈다. 두 뉴런 집단이 서로 다르게 반응하는 것은 장기 기억을 암호화하는 데 영향을 미칠 것으로 연구팀은 보고 있다.

두 개밖에 못 보던 신호 5개로 확장

과학자들은 일반적으로 세포 내의 분자 활동을 눈으로 관찰하기 위해 표적 분자를 감지하는 단백질을 다른 빛을 내는 단백질과 융합해 리포터(reporters)를 만든다. 존슨 연구원은 “이것은 연기 감지기가 연기를 검출해 빛을 비추는 것과 유사하다”고 설명했다.

가장 일반적으로 사용되는 빛나는 단백질은 원래 형광 해파리에서 발견된 분자를 기반으로 하는 녹색 형광 단백질(GFP)로 알려져 있다.

보이든 교수는 “일반적으로 생물학자는 현미경으로 한두 가지 색상을 동시에 볼 수 있는데, 거기 있는 많은 리포터들은 녹색 형광 단백질을 기반으로 하기 때문에 녹색을 띤다”며, “지금까지는 한 번에 두 개 이상의 신호를 볼 수 있는 능력이 부족했다”고 지적했다.

링구 연구원은 “오케스트라에서 한 악기 소리만 듣는다면 교향곡을 제대로 감상하기에 충분치 않을 것”이라며, “이번에 개발한 기술은 여러 세포를 동시에 관찰할 수 있게 함으로써 세포 활동의 ‘심포니’를 이해하는 데 도움이 된다”고 비유했다.



이미징 기술로 신호 다른 하위 뉴런 집단 식별

연구팀은 관찰할 수 있는 신호 수를 확대하기 위해 색상이 아닌 위치로 신호를 식별할 수 있도록 설정했다. 그리고 기존의 리포터를 수정해 이들이 세포 안 다른 위치에 있는 클러스터에 축적되도록 했다. 즉, 각 리포터에 두 개의 작은 펩티드를 추가해 이 리포터들이 세포 안에서 별개의 클러스터를 형성하도록 한 것.

존슨 연구원은 “마치 리포터 X를 레고 블록에 연결하고 리포터 Z를 다른 완구 블록과 연결되도록 한 것과 같이, 리포터 X는 레고 블록처럼 같은 리포터 X와 무리를 짓게 된다”고 말했다.

이 기술로 각 세포는 수백 개의 형광 리포터 클러스터를 형성했다. 연구팀은 변화하는 형광을 기반으로 현미경 하에서 각 클러스터의 활동을 측정한 뒤, 세포를 보존하고 각 리포터에 고유한 펩티드 태그를 염색해 어떤 분자가 각 클러스터에서 측정되고 있는지를 식별할 수 있었다.

펩티드 태그는 살아있는 세포에서는 보이지 않지만, 라이브 이미징이 수행된 뒤에는 염색하거나 관찰할 수 있다. 연구팀은 이를 통해 서로 다른 분자들이 살아있는 세포에서 모두 같은 색으로 형광을 발하고 있더라도 거기에서 나오는 신호들을 구별할 수 있다.

연구팀은 이 접근법을 사용해 단일 세포에서 5개의 서로 다른 신호를 관찰할 수 있다는 것을 보여주었다. 이 전략의 잠재적인 유용성을 입증하기 위해 연구팀은 칼슘과 사이클릭 AMP, 단백질 키나아제 A(PKA) 세 분자의 활성을 병렬로 측정했다.

이 분자들은 우리 몸 전체에서 서로 다른 수많은 세포 기능과 관련된 신호 네트워크를 형성하고 있다. 뉴런에서는 상류 뉴런들로부터의 단기 입력을 뉴런들 사이의 관계를 강화해 학습이나 새로운 기억 형성 같은 장기 변화로 변환시키는데 중요한 역할을 하고 있다.

연구팀은 이 이미징 기술을 해마의 피라미드 뉴런에 적용해, 서로 다른 칼슘 신호 역학을 가진 두 개의 새로운 하위집단을 식별해 냈다. 한 집단은 느린 칼슘 반응 보였고, 다른 집단에서는 반응이 빠르고 PKA 반응도 더 컸다.

이렇게 고조된 반응은 뉴런에서 오래 지속되는 변화를 유지하는 데 도움이 될 것으로 연구팀은 믿고 있다.
 



세포에서 일어나는 일 관찰 가능한 시대로 접근

보이든 교수팀은 이제 살아있는 동물에서 이 접근법을 시도해 신호 네트워크 활동이 행동과 어떻게 관련되는지를 연구하는 한편 이를 면역세포 같은 다른 유형의 세포들에도 확장해 볼 계획이다.

이 기술은 또 건강한 조직과 병든 조직 세포 간의 신호 네트워크 패턴을 비교하는데도 유용할 것으로 보고 있다.

연구팀은 논문에서 한 번에 5개의 분자 신호를 기록할 수 있다는 것을 보여주었다. 그러나 자신들의 전략을 수정하면 16개까지 보여주는 것도 가능하고, 추가 작업을 하면 그 수는 수백 개에 이를 수도 있다고 보고 있다.

보이든 교수는 “이런 작업은 세포의 여러 부속물들이 도대체 어떻게 함께 일하는가 하는 어려운 질문에 일부 답을 줄 수 있다”며, “우리는 세포에서 일어나는 모든 일, 적어도 학습이나 질병 혹은 질병 치료와 관계된 한 부분들을 관찰할 수 있는 시대를 상상할 수 있다”고 밝혔다.
 

김병희 객원기자 저작권자 2020.11.24 ⓒ ScienceTimes (원문출처)