1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

단백질-리간드 결합쌍인 스트렙타비딘 (Streptavidin, SA)과 바이오틴 (Biotin, BT)은 매우 선택적이고 강한 상호 작용력을 가집니다. 이러한 특징으로 인해, 이 결합쌍은 다양한 형태로 화학생물학 연구 도구로 활용되고 있습니다. 예를 들면, 단백질을 특정 표면에 고정시키는데 연결 고리로 사용하거나, 특정 단백질의 정제, 센싱 혹은 이미징 등에도 활용하고 있습니다. 그 중에서도 SA-BT 쌍을 이용한 형광 이미징 방법은 대표적인 활용 사례라고 할 수 있습니다. 그러나 이 결합쌍은 단백질과 같은 생체 분자를 이용한 시스템이라는 점에서 그 기술적 한계를 가지고 있습니다. 우선, 약 52 kDa 크기에 이르는 단백질이기 때문에, 관찰하고자 하는 단백질 고유 성질을 변화시킬 가능성이 있으며, 세포막에 대한 투과성이 좋지 않아 살아있는 세포에 적용하기 어렵습니다. 또한, 세포 내에 이미 존재하는 바이오틴에 의해 결합쌍의 결합 효율이 떨어지거나, 내재적으로 바이오틴이 표지된 단백질과의 의도치 않은 결합으로 인해 거짓 양성 결과를 얻을 수 있는 단점을 가지고 있습니다.

이러한 한계점을 극복하기 위해, 본 연구에서는 SA-BT과 견줄만한 강한 결합력을 가지면서도 그 크기는 그보다 훨씬 작은 강력 인공 주인-손님 분자 결합쌍을 이용한 단백질 이미징을 수행했습니다. 주인분자로는 속인 빈 호박 모양의 분자인 쿠커비투[7]릴 (Cucurbit[7]uril, CB[7])에 형광분자인 Cyanine 3가 도입된 CB[7]-Cy3를 이용했고, 이와 강력하게 결합하는 손님 분자로는 Adamantaneamine (AdA) 혹은 Ferrocenemethylamine (FcA) 유도체를 이용했습니다. 이 주인 분자와 손님 분자는 세포막 투과성이 있어 살아 있는 세포에서도 단백질 이미징이 가능하며, 주인-손님 분자간 특이적 상호 선택성이 높아 세포내 있는 여러 생물질들에 의한 간섭을 최소화 할 수 있습니다. 또한 더욱 강한 결합력을 가지는 손님 분자를 처리하면 이전에 형성된 주인-손님 분자 결합쌍을 손쉽게 해리 시킬 수 있는 특징을 가지고 있어, 특정 단백질의 거동을 관찰하는데 유용합니다. 이를 구체적으로 확인하기 위해, 우리는 관찰하고자 하는 단백질에 기존에 잘 알려진 화학적 기법 혹은 단백질/효소 발현 기법을 이용해 특정 지역에 존재하는 단백질 혹은 선택적 특정 단백질에 손님 분자를 표지 했습니다. 이후 CB[7]-Cy3 처리 후, 형광 현미경과 공초점 현미경을 이용해 손님 분자가 도입된 단백질 관찰 할 수 있었습니다.

또한, 간단한 동물 모델인 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)에도 이러한 손님 분자 표지 기술을 수행하고, CB[7]-Cy3 처리를 통해 동물 수준에서도 특정 지역에 존재하는 단백질을 선택적으로 형광 이미징 함으로, 강력 인공 주인-손님 결합쌍을 이용해 세포 수준은 물론이고 간단한 동물 모델에도 선택적 단백질 형광 이미징이 가능하다는 것을 확인했습니다. 이는, CB[7]-Cy3 기반의 강력 주인-손님 상호 결합쌍이 새로운 바이오 이미징 도구로 다양한 생물학적 현상을 관찰하는 도구로 활용될 가능성이 높음을 보여주는 연구입니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

저희 연구실은 현재 기초과학연구원(IBS)의 POSTECH 캠퍼스 연구단인 복잡계 자기조립 연구단에 소속되어 있습니다. 본 연구단의 단장이시며, POSTECH 화학과 교수로 재직 중이신 김기문 교수님의 지도하에 여러 팀들이 초분자 화학과 관련된 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 초분자화학은 수소 결합, 정전기적 상호작용, 반데르발스 인력 등의 상호작용을 통해 둘 이상의 분자들이 모여 생성되는 거대 분자체 형성에 대해 연구하는 화학의 한 분야 입니다.

제가 속한 팀에서는 특히나 속이 빈 호박 모양의 분자로 잘 알려진 쿠커비투릴(Cucurbituril, CB)의 강력한 분자 인지능력을 기반으로 바이오 이미징, 단백질 정제와 분석 등에 유용한 생물화학적 도구를 개발하고, 이 도구를 이용한 생물화학 연구들 진행하고 있습니다. 화학 분야에서 초분자화학은 유기화학, 물리화학, 무기화학, 분석화학, 고분자화학 등에서 배우는 지식을 골고루 필요로 합니다. 대부분의 학교에서는 학부 과정이 아니라, 대학원 과정에서 초분자화학을 다루는 것도 이러한 기본 소양이 필요하기 때문입니다. 이러한 이유로, 저희 연구실은 유기합성, 무기화학, 생화학 등등 여러 분야에서 학위를 받은 국내외 박사들이 함께 연구를 하고 있으며, 본인의 전공을 기반으로 여러 프로젝트에 기여할 수 있고, 새로운 분야를 시작할 수도 있는 좋은 환경을 제공합니다. 또한 연구실에서 서로가 자연스레 영어로 활발히 토의를 하며 연구하기 때문에 좀 더 쉽게 자신의 생각을 영어로 표현하여 자신감을 키우며, 여러 방면의 연구를 직접적/간접적으로 경험할 수 있는 큰 장점이 있는 연구실입니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

저는 학부 무기 화학 실험수업에서 초분자체를 합성해 보며 처음으로 초분자 화학과의 인연이 시작되었습니다. 그 이후, 초분자 화학으로 저명하신 김기문 교수님을 지도 교수님으로 만나게 되면서 초분자체를 이용한 생화학적인 기술을 개발하는 연구에 참여하게 되었습니다. 새로운 분자를 합성 하고 이 분자들이 이루는 초분자체를 분석하는 기초 연구뿐만 아니라, 생화학분야에 접목하기 위한 연구를 수행하며, 자연스레 세포를 배양하고, 단백질을 발현하는 등 새로운 연구 기법들을 많이 배워야 했습니다. 단계별로 새로운 것들을 배워가면서 실험을 진행해야 했기에 예상치 못한 문제들을 겪으며, 이를 분석하고 해결 하기 위해 수많은 비교 실험들을 수행하고, 이를 분석하기 위한 많은 고민의 시간을 보내야 했습니다. 뒤돌아 보면 그런 고민의 시간만큼 연구자로서 부쩍 성장해 있는 제 모습을 보며 자부심을 느낍니다. 또한 이렇게 개발된 기술들에 대해 다른 연구자들이 관심을 가지고, 이를 실제로 잘 사용할 때 큰 보람을 느낍니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

분자 인지와 자기 조립이라는 개념을 이용하는 초분자화학이라는 연구 분야가 생각보다 생소할 수 있지만, 생각 보다 많은 곳에서 초분자화학을 기반으로 한 연구를 진행하고 있습니다. 분자간의 상호 작용의 원리를 탐구하거나, 분자들이 자발적으로 모이는 성질을 규명하는 연구부터, 이러한 특성을 활용한 촉매반응, 이미징, 센싱, 특정 구조체 형성 등 다양한 주제로 많은 연구들이 진행중입니다. 해당 연구실에서 어떠한 물질이나 현상에 관심이 많은지, 그러한 물질이나 현상을 이용해 어떠한 응용 연구를 진행하는지를 최근 발표된 논문들을 살펴 보시고, 본인이 관심있는 분야에 대한 연구가 조금이라도 진행되는 연구실에서 짧은 기간이라도 연구 참여를 해보실 것을 권장합니다. 본인이 흥미를 가지고 즐길 수 있는 분야를 찾아서 대학원 생활을 시작하는 것이 가장 중요하다고 생각합니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재, 초분자체를 활용한 생물화학적인 기술들을 개발하는 연구를 진행하고 있습니다만, 사실 화학을 전공한 사람으로, 생물학에서 실질적으로 겪고 있는 문제를 일일이 알기는 어렵습니다. 제가 보기엔 큰 문제일 수 있어도, 실제로 그 문제를 겪고 있는 사람들에겐 별로 대수롭지 않은 일일 수도 있습니다. 앞으로는 조금 더 다양한 관점에서, 당면한 문제들을 바라볼 수 있도록 관련분야 전문가들과 보다 자주 의견을 나눌 수 있도록 노력할 것입니다. 그리고, 이러한 노력을 기반으로 보다 흥미로운 연구를 하는데 기여할 수 있도록 노력할 것입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들...

먼저, 이러한 연구를 진행할 수 있는 기반을 마련해주신 김기문 교수님께 감사의 말씀을 올립니다. 또한 제가 속한 팀리더이자 멘토로 도와주신 박경민 박사님과 생물학적인 실험을 가르쳐주며 생물학 전공자의 관점에서 도와주신 김경록 박사님께 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 여러 세포 실험을 도와준 재환이, 논문 작업을 도와준 Dr. James Murray, 예쁜꼬마선충 실험을 도와준 Dr. Meng Li와 아라 그리고 합성에 있어서 도움을 준 Dr. Annadka Shrinidhi 에게 감사의 말을 전합니다. 본 연구는 저희 연구단에 Bio-team에 속한 사람들이 다 같이 고생해서 결실을 맺은 연구입니다.

저희 연구실에서 진행되는 일들이 궁금하시다면, 아래 홈페이지에서 보다 많은 정보를 얻으실 수 있습니다. 감사합니다. (연구실 홈페이지: http://kk.postech.ac.kr/kk/)