1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드Tyrosine signaling 은 여러가지 cell metabolisms (cell proliferation, tumorigenesis, metastasis, chemoresistance)에 관여하는 아주 중요한 생명 신호체계 중 하나이다. 외부 신호는 주로 membrane receptor protein 를activate 시키고(phosphorylate tyrosine residues) phosphotyrosine(p-Tyr)는 cytoplasm 에 있는 Src homolog 2 (SH2) 을 포함한 signaling protein 을 membrane 으로 recruit 한다. 위의 upstream signaling complex 가 형성되면 여러 특정한 effector protein 을 통해 신호는 특정 신호 network에 의해 핵으로 전달되어지고, 세포는 신호를 해석하고 이에 맞게 metabolism 을 조절한다. 예를 들어Epitherithil Growth Factor(EGF) 는 EGF receptor (EGFR) 의 tyrosine reside 를 phosphorylate 시키고, p-Tyr은 Grb2 molecule 을 membrane 쪽으로 끌어 당긴다. 이들 complex 는 이후 SOS protein 과 interaction 하고 다시 Ras molecule 과 interaction 하여 signal 이 새포 내로 전달된다.
위는 중요한 세포 신호 체계인 만큼 오래전부터 아주 많은 연구가 진행되었지만 주로 in vitro peptide essay 를 통한SH2 를 포함하는signaling protein 들의 Kinetic reaction rate 을 측정하여 왔다. Kinetic rate을 측정한다는것은 drug design 을 위한 modeling에 중요한 parameter 를 제공하는 것이다. 지금까지 in vivo 상황에서 이들의 interaction dynamics 의 측정은 아주 미흡하고 기술적으로도 쉽지가 않았다. 본 논문에서는 single molecule imaging 기술을 이용하여 molecule 하나하나의 dissociation rate(kd)을 측정하고, 이들의 통계적 distribution을 통해 mean kd 값을 측정하였다. In vitro essay 와 달리, kd 값은 constant였고, 그 값이 in vitro 값(average value)에 비해 아주 적었는데 이는 effector protein 이 membrane 으로부터 최종적으로 dissociation 되기전에 몇번의 rebinding 되어진다는 dissociation control rebinding모델과 잘 맞았다. 제가 알기론, In vivo 실험에서 이 모델과 맞는 data 는 이번이 처음이었다. 이 모델이 맞다면 앞으로 살아 있는 세포내의 protein-protein interaction 은 단순히 chemical reaction model 에 의해 설명되기 보다 molecule이 처한 환경에 의해 더 결정되어진다는 것을 의미한다.
Single molecule imaging and tracking(SMI) 기술은 기존 생물 실험의 ensemble averaging 에서 averaging independent individual values of physical observables로 paradigm 을 바꾸고 있다. Ensemble averaging 방법이 averaged 된 molecule의특성들이나 행동들을 기술하는 반면, SMI 기술은 nanoscopic molecular localization, time trajectories of individual molecule, time -dependent pathways of chemical reactions 등의 측증을 가능하게 하고 이는 molecule 의 unique 한 특성들, system의 heterogeneity 을 측정 할 수 있게 해 준다. 살아 있는 세포내의 dynamic 한 life processes 들에 적용 되어 최근 수년 동안 아주 많은 생물학적 발견을 이루었다. 앞으로도 이와 관련된 기술이 생물학 실험에 있어 아주 중요한 tool 로 이용 될 것 같다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.University of Connecticut Health Center (UCHC) 는 Connecticut 주 Farmington 시에 위치한 University of Connecticut 의 일반병원, 의대, 치대, 약대 및 생물학 관련 대학원이 있는 center 이다. 근처에 최근 새 건물을 지어 Genetics & Developmental Biology , Stem Cell center, Cell Analysis & Modeling 연구 단지가 생겼다. 제가 있는 곳은 이곳 Cell Analysis & Modeling department 이고, live cell imaging 중심의 연구를 하는 Dr. Ji Yu 실험실에 있다. 이곳에는(UCHC) 현재 8명의 한국인 postdoc 과 2명의 graduate student들이 연구를 하고 있다. UCHC 는 치대 program 이 좋은 것으로 알려져있다. Connecticut 주는 우리나라보다 조금 작은 주로 위로는Boston 이 있는 Massachusetts 주와 아래로는 New York City 가 있는 New York 주 사이에 있다. 한국 사람들에겐 주로 Yale 대학이 있는 주로알려져 있다. 제가 연구를 시작 했을때 새 건물이 완공되었고 모든 것이 새것이고 공간도 넓어서 연구하기엔 최상이다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람저는 주로 실험을 밤부터 새벽까지 한다. 낮시간 동안은 실험실에 사람들도 많고 Microscopy room에 사람이 들어 올때가 있어 실험을 하는데 좋지 않아서 이다. TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence) microscopy 로 single molecule 을 imaging 하는데는 외부 빛이 완전히 차단 해야 resolution 을 높일수 있고 또한 실험에 몰입할수가 있어서 이다. 여러 실험 조건상 data 가 잘 나오지 않을때가 많은데, 마지막 sample을 scan 하고 집으로 가려 할때 빤짝 빤짝 빛나는 individual molecule 들이 마치 새벽 밤 하늘에 떠 있는 별처럼 아름답게 빛날때 기쁨을 느낀다. 그날의 피로를 잊고 집으로 돌아 오는 길에도 빨리 분석을 하고 싶은 덜뜬 마음으로 침대로 들어간다. 이렇듯 실험에서 좋은 data 가 나올때가 기쁘고, 이런 data들이 현재 cancer cell 치료에 fundamental 한 자료를 제공한다는 생각을 할때 보람을 느낀다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?저는 물리학과로 박사과정을 진학했기때문에 처음 생물학을 접할때, 즉 single molecule 의 연구는 그리 크게 흥미롭지 않았다. 물리학에서는 이들을 이루고 있는더 작은 fundamental 입자들을 연구 하고 있기 때문인 것 같다. 하지만 이후 살아있는 세포 안에서의 단백질 하나 하나의 움직임을 관찰한다는 것은 생명 현상이 일어나는 원리를 직접 보고 있는 것이라 흥미로웠다(생명 현상의 기본 단위를 molecule 로 봤을때). 예를 들어 사다 놓고 며칠째 안 먹은 고구마에서 새 순이 올라 오고 있을때, 외부의 환경이 고구마와 어떻게 영향을 미쳐, 고구마 안에서 어떤 일이 일어나고 있는지 상상할때 제가 하는 연구들이 얼마나 흥미로운지 모른다. 오히려 이전 까지 접해 왔던 살아 있지 않은 물질의 연구가 오히려 흥미를 잃어 가고 있었다. 살아 있는 세포 안의 Molecule 들의 dynamics 는또한 물리학에서 배운 이론들로 해석 할 수 있어 생명 현상의 기본 원리를 이해하는데 더 가까이 갈 수 있는 것 같다. Single molecule imaging and particle tracking 기술은 근 10년 사이에 아주 빨리 생물학 실험에 확대 적용 되어 왔고, 지금은 살아 있는 세포내에서의 application들에 많은 사람들이 연구 하고 있다. 7년전 제가 생물학쪽으로만 계속 연구해 오신 분들과 이 기술을 얘기 했을때, 그분들은 처음에는 아주 흥미를 보이다가, 기존에 해 왔던 자기들의 실험 방법을 더 믿는 경향이 있었고, 이런 물리학에서 기초하여 발전한 기술을 접목하기엔 아직 준비가 되지 않은 것 같았다. 지금은 상황이 많이 달라저 그분들이 긍정적으로 생각하고 있는것 같고, 한국에서도 물리학과나 생물학과에 이른 분야가 생겨 나고 있는것 같다. 저는 처음엔 실험에 필요한 샘플을 혼자 만들수 없었다 (Cloning, Cell culture, DNA transfection etc. ). 생물쪽 실험실로 와서 배울려고 노력하였고 이분들과 서로 서로의 장점들을 공유 하려 노력 하고 있다. 현재 연구 동향은 혼자서 처음부터 끝까지 연구를 수행 하기 보다 여러 사람과의 협동으로 연구를 해야 보다 좋은 결과와 해석을 얻을수 있는 경향이 많다. 여러분들도 서로 다른 분야의 학문에 마음의 문을 열고 그 분야의 장점들을 자기분야로 흡수 할수 있는 자세와 노력이 필요할 것 같다. 어떤 분야던(학문쪽 분야만이 아니라) 새로운 분야는 낯슬기 마련이지만, 도전하고 부디치는 "습관"을 형성하는데 젊은 시간을 보내면 또한 좋을것 같다. 지금 마음에 묻고 있었던 "해 보고 싶은 일들"을 실현 해 보자.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?기존의 단순한 화학적 Reaction model 이 in vivo cell 안에서 molecule 들의 그대로 적용되지 않고 molecule 들이 처한 환경에 의해 Protein-Protein Interaction 이 결정된다는 것을 이번 실험에서 보았기때문에, 앞으로 다른System (EGFR, PDGFR, FGFR) 에서 SH2 containing molecule 들(115개중 약 50- 80개)의 Kinetic and dynamic parameters (association, dissociation rate and diffusion constant) 들을 측정하려 합니다. 이는 drug modeling 하는데 기본 자료로 이용 되리라 생각합니다. 그리고 어떤 특정 Signaling Pathway 에 대해 Upstream signaling 부터 downstream signaling 까지 의 molecule 들의 interaction 을 관찰 하려 합니다(EGF-EGFR-Grb2-SOS-RAS). 그리고 Focal Adhesion pathway 에 관련한 molecule 들이 어떻게 Focal Adhesion complex 에 assemble 하고 disassemble 하는지 연구하려 합니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들....지금 이곳에서 제가 좋아하는 연구를 수행 할 수 있기까지 많은 사람들의 노고와 희생 이해심이 있었기에 가능했다. 어머니 아버지 그리고 가족들. 사랑하는 아내 그리고 장인 장모님, 그분들게 고맙다고 말하고 싶다. 그리고 무엇보다 제 인생의 영원한 친구인 Dr. Lee (상진) 에게 고맙다고 하고 싶다. 어려운 시기에 친구의 충고와 도움으로 유학을 올 수 있었고 또한 그의 유머로 인생을 즐겁게 살수 있었다. 그는 현재 Indiana University 에서 핵 물리학을 연구를 하고 있다. 우리는 지금도 같은 꿈을 꾸고 있다.