IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 허원도 인지 및 사회성 연구단 교수(KAIST생명과학과) 연구팀이 신호전달 스위치 단백질의 활성을 모니터링하는 새로운 바이오센서를 개발하고 살아있는 생쥐의 신경세포 활성화를 관찰하는데 성공했다고 14일 밝혔다.

세포 신호전달 스위치 단백질은 스위치가 켜지면 기계가 작동하듯 활성화 여부로 세포의 기능을 제어한다. 세포신호전달 체계에서 핵심적인 역할을 담당하는 신호전달 스위치 단백질 'small GTPase'은 세포의 이동, 분열, 사멸, 유전자 발현에 관여한다. 때문에 많은 연구팀들이 연구주제로 삼고 있다.

일반적으로 small GTPase 활성 관찰에 형광 공명 에너지전달(FRET) 방식을 이용했다. 하지만 FRET 방식은 광유전학과 광 파장이 겹쳐 정작 관찰해야 할 세포신호의 변화는 보기가 어려웠다. 또 민감도가 낮아 동물 모델에 적용하는 것도 제한적이었다.

허원도 교수 연구팀은 5가지 종류의 Small GTPase 단백질 바이오센서를 개발하고 두가지 파장(488nm, 561nm)에서 관찰 가능한 바이오센서를 동시에 분석하는데 성공했다.

허원도 교수 연구팀에 의하면 새로운 바이오 센서는 small GTPase 활성의 모든 변화 과정을 실시간으로 볼수 있다. 광유전학과 결합해 다양한 방식으로 관찰이 가능하고 민감도가 커 생체 내 두꺼운 조직 안에서 벌어지는 수 나노미터 크기의 변화까지 정밀하게 볼 수 있는 장점이 있다.

연구팀은 이번 성과로 실험쥐의 운동행동과 같은 생리학적 현상에 지장을 주지 않는 자연스러운 상태에서 뇌 영역을 실시간으로 관찰할 수 있어 뇌 관련 연구에도 다양하게 적용될 것으로 기대했다.

이번 연구는 미국 막스 플랑크 플로리다 연구소의 권영배 박사 연구팀과 공동진행 됐다. 연구팀은 공 위를 달리는 실험으로 깨어있는 생쥐인 실험군과 마취된 대조군의 뇌 영역의 운동 피질 신경세포에서 small GTPase 단백질 활성을 비교하는데 성공했다. 살아있는 쥐에서 실시간 변화하는 small GTPase 단백질 활성을 관찰한 것은 이번이 처음이다.

허원도 교수는 "이번 연구는  small GTPase 단백질을 생체 내에서 관찰하기 위한 기존의 바이오센서들의 기술적 한계를 극복하는데 성공했다"면서 "특히 청색 빛을 활용한 광유전학 기술과 동시에 적용할 수 있어 다양한 세포막 수용체와 관련된 광범위한 세포신호전달연구와 뇌인지과학연구에 접목이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(IF 12.353)에 14일자 오후 7시(한국시간) 온라인 게재됐다.