섬유화 메커니즘 연구에 새로운 방향 제시-IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단...물에서의 아밀로이드 단백질의 섬유화 메커니즘 분자 수준에서 규명

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2022. 5. 12.

섬유화 메커니즘 연구에 새로운 방향 제시-IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단...물에서의 아밀로이드 단백질의 섬유화 메커니즘 분자 수준에서 규명

보도일 2022-04-26 14:30

 

 

 

섬유화 메커니즘 연구에 새로운 방향 제시

- IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 ... 물에서의 아밀로이드 단백질의 섬유화 메커니즘 분자 수준에서 규명 -

 

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 물에서의 아밀로이드 단백질의 구체적인 섬유화 메커니즘 연구에 대한 새로운 방향을 제시했다. 

아밀로이드 단백질의 자가 응집으로 형성되는 매우 정렬된 베타 시트 형태의 섬유는 알츠하이머병과 같은 아밀로이드증을 일으키는 주요 독성 물질로 알려져 있다. 이러한 섬유의 형성과 아밀로이드증의 발병 및 치료를 이해하기 위해 아밀로이드 단백질의 섬유화 과정에 대한 분자 수준의 연구가 많은 관심을 끌고 있다.

아밀로이드 단백질의 섬유화 과정은 복잡한 구조 변화를 포함하기 때문에 주변 환경의 작은 변화에도 민감하게 영향을 받는다. 따라서 다양한 분석 방법을 이용하여 주변 환경의 변화에 따른 아밀로이드 단백질의 구조 변화 연구가 이루어지고 있다. 문제는 그 중, 가장 많이 사용되는 핵자기공명 (NMR)과 적외선(IR) 분광법에서는 물(H2O)이 아닌 화학적으로 동일한 성질을 나타낸다고 알려진 중수 중수 (heavy water, D2O): 물 (H2O) 분자의 수소 원자가 보다 무거운 동위원소인 중수소로 치환된 액체. 일반 물과 중수의 물리적 성질은 미세한 차이가 있으나 화학적 성질은 유사하다.

(D2O)를 사용한다는 것이다.

연구진은 인슐린을 사용하여 물과 중수에서 인슐린의 섬유화 속도가 현저히 다르게 나타나는 것을 확인하였고 단백질의 섬유화 과정을 물에서 관찰해야 함을 인지하였다. 이에 연구진은 2차 적외선(2D-IR) 분광법이라는 첨단 분광 기술을 이용해 기존의 적외선 분광법에서 불가능했던 물에서의 아밀로이드 단백질의 섬유화 과정을 추적하였다.

연구진은 2차 적외선 분광법과 더불어 다양한 생물 물리학 분석을 사용하여 섬유화 초기 단계에서 물과 중수에서 인슐린의 섬유화 경로가 달라지는 것을 관찰했다. 특히 고해상도의 2차 적외선 분광법 결과를 통해 섬유화의 핵 형성 단계가 시작될 때 중수에서 인슐린의 이량체 형성이 향상되어 물보다 중수에서 구조적 변화가 지연됨을 밝혀냈다. 

제 1 저자인 전소연 연구원은 “이번 연구는 기존의 방법들로는 알 수 없었던 물에서의 섬유화 초기 단계의 단백질 구조 변형에 대한 정보를 2차 적외선 분광법을 적용해 직접 관찰한 사례”라며 “생물학적 조건에서의 섬유화 메커니즘 연구에 있어 새로운 접근 방식의 기반이 될 것”이라고 말했다.

조민행 단장은 “이번 연구는 화학적으로 동일하다고 알려진 물과 중수가 생체 환경 내에서는 섬유화에 다른 역할을 하는 이유를 2차원 적외선 분광법으로 관찰한 연구로 이는 물에서의 단백질 연구가 중요하다는 것을 밝혀낸 사례”라고 말했다.

연구결과는 왕립화학회(RSC)에서 발행하는 국제학술지 ‘Chemical Science (IF 9.825)’ 3월 18일자 온라인 판에 게재됐다.

 

[붙임] 1. 연구 추가설명  2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

 

연구 추가 설명

 

 

 

논문명

/ 저널명

Direct Observation of Protein Structural Transitions through Entire Amyloid Aggregation Processes in Water using 2D-IR Spectroscopy / Chemical Science

저자 정보

So Yeon Chun, Myung Kook Son, Chae Ri Park, Chaiho Lim, Hugh I. Kim, Kyungwon Kwak and Minhaeng Cho

연구

이야기

[연구 배경] 아밀로이드 단백질의 섬유화는 아밀로이증의 발병에 있어서 중요한 역할을 한다고 알려져 있어 아밀로이드 단백질 섬유화의 동력학 연구가 주목받고 있다. 하지만 이러한 연구에서 가장 보편적으로 사용되는 핵자기공명 (NMR)과 적외선 (IR) 분광법에서는 뚜렷한 동위원소 효과에도 불구하고 중수가 사용된다. 우리 연구진은 고해상도 2차 적외선 (2D-IR) 분광법을 사용해 보다 생물학적 환경을 잘 묘사하는 물에서 단백질의 섬유화 과정을 추적하고자 연구를 시작하게 되었다. 

[어려웠던 점] 중수의 동위원소 효과로 인해 인슐린 단백질의 섬유화 속도가 물에서와 현저히 다른 것을 관찰하였다. 연구진은 중수와 물에서의 단백질 섬유화 과정을 추적하여 이러한 속도 차이가 나타나는 이유를 밝혀내고자 하였다. 하지만 기존에 사용되던 적외선 분광법에서는 단백질의 2차 구조 정보를 제공하는 아미드 Ⅰ 신호와 물의 신호가 비슷한 진동수 영역에서 겹치기 때문에 물에서의 단백질의 정보를 얻는데 한계가 있었다. 우리 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 고해상도의 2차원 적외선 분광법을 사용하였다. 특히 특정 조건을 찾는 것이 중요했는데, 2차원 적외선 분광 장치의 최적화를 통해 이 조건을 찾았고 물에서의 인슐린 단백질의 섬유화 과정을 추적할 수 있었다.  

[성과 차별점] 본 연구진은 2차원 적외선 분광법을 통해 기존의 방법들로는 알 수 없었던 물과 중수에서의 아밀로이드 단백질 응집 과정을 추적하였다. 그 결과, 섬유화 초기 단계에서의 단백질 구조의 차이로 물과 중수에서 확연히 다른 섬유화 과정이 나타나는 것을 확인하였다. 

[향후 연구계획] 인슐린에서 더 나아가 알츠하이머병과 직접적인 관련이 있는 단백질들의 섬유화 과정 (특히 액체-액체 상 분리 (LLPS) 매개 섬유화)을 추적하여 생물학적 환경을 더 잘 묘사하는 구체적인 섬유화 메커니즘 연구를 수행 할 것이다.  

 

 

그림 설명

 

 

[그림 1] 2차 적외선 분광법을 이용한 물에서의 아밀로이드 단백질의 섬유화 관찰

2차 적외선 분광법을 통해 기존의 적외선 분광법에서 불가능했던 물에서의 아밀로이드 단백질의 섬유화 과정, 특히 초기 구조에 집중해 추적하는 것을 보여준다.

 

 

연구진 이력사항

 

<조민행 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구단장> [교신저자] 

 

1. 인적사항

○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단

          고려대학교 화학과

 

 

 

 

2. 경력사항  

○ 1994.01 - 1996.02  Massachusetts Institute of Technology 연구원

○ 2004.03 - 2004.08  University of California 방문교수

○ 1996.03 - 현재  고려대학교 이과대학 화학과 교수

○ 2014.12 - 현재  IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구단장

○ 2007 - 현재 Editorial Advisory Board, Chem. Phys. 

○ 2015 - 2017 Editorial Advisory Board, J. Chem. Phys. 

 

3. 전문 분야 정보 

○ 2005년 Nature에 발표한 논문, 당시 미국화학회 ‘올해의 연구’ 선정

○ 2009년 생체 분자의 대칭성 연구 가능성을 보인 논문 Nature 발표

○ 2009년 저서 출판 “Two-Dimensional Optical Spectroscopy (CRC Press)”

○ 2002년 세계 최초로 다차원 분광학 국제학술회의(International Conference on Multidimensional Spectroscopy)를 대한민국에서 개최

○ 2018년 제 9회 CMDS 학회 개최

○ 2021년 입자-파동 상보성에 대한 정량적 연구 논문. Physics World에서 10 breakthrough 로 선정

<곽경원 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구위원> [교신저자] 

 

1. 인적사항

○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단, 

          고려대학교 화학과

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항  

○ 2008.09 - 2010.12  University of California, Berkeley 연구원

○ 2011.03 - 2015.02  중앙대학교 자연과학대학 화학과 부교수

○ 2015.03 – 현재     고려대학교 이과대학 화학과 교수

 

3. 전문 분야 정보 

○ 2005년 Science 논문 발표

○ 2006년 Science 논문 발표

○ 2011년 Nature 논문 발표

 

<전소연 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구원> [제1저자] 

 

1. 인적사항

○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단

          고려대학교 화학과

 

<김준곤 고려대학교 화학전공 교수> [교신저자] 

 

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 화학과

 

 

 

 

 

2. 경력사항  

 ○  2008 ~ 2010 미국 항공 우주국 제트 추진 연구소 박사후연구원

 ○  2010 ~ 2015 포항공과대학교 화학과 조교수/부교수

 ○  2015 ~ 현재 고려대학교 화학과 부교수/교수

 

3. 전문 분야 정보 

 ○  2016 동아일보-포항공과대학교 선정 한국을 빛낼 젊은 과학자 30인

 ○  2016 일본화학회 The Distinguished Lectureship Award 수상

 ○  2017 미국 질량분석학회 선정 Emerging Investigator

 ○  2018 대한화학회 Sigma-Aldrich 화학자상 수상

<손명국 고려대학교 화학전공 연구원> [제1저자] 

 

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 화학과