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한빛사 인터뷰
한빛사 인터뷰
- 등록2018-07-04
- 조회3,188
Nucleic Acids Res., Published: 21 June 2018 | https://doi.org/10.1093/nar/gky531
TAMRA-polypyrrole for A/T sequence visualization on DNA molecules
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
형광 현미경을 이용하여 직접 DNA 분자를 관찰하는 경험은 여타 생물학을 연구하시는 많은 분들에게는 생소하실 수 있을 것 같습니다. 거대 DNA 분자 관찰 및 분석이라 칭하는 저희 연구 분야는 λ DNA 와 같이 50 kbp 이상의 DNA를 형광 물질이나 형광 단백질 등으로 염색하여 직접 단일 분자를 관찰하는 분야 입니다. DNA 분석이라 하면 통상적으로 서열 분석, 특히 차세대 서열 분석을 이용한 염기 쌍 수준의 분석을 일컫습니다. 하지만 이러한 차세대 서열 분석법에도 짧은 분석 서열로 인한 한계점이 존재하고, 실제 실험을 진행하다 보면 꽤 많은 양의 시료를 필요로 하는 등의 문제가 있습니다. 또한 DNA 결합 단백질 등을 연구하는 분야에 적용하였을 때에는 결합-비결합 사이의 중간 단계나, 이온 농도나 조건 등에 의한 변화를 관찰하기가 어렵습니다. 그러나 단일 분자 실험을 통해서는 이러한 문제들을 해결하기 쉽습니다. DNA 그 자체로는 Large scale의 structural variation과 같은 변이를 분석할 수 있고, 단백질 등과 함께 한다면 실제 한 분자가 하나의 데이터로써 검출 한계가 아주 낮아서 개별 분자의 동역학 등을 효과적으로 관찰 할 수 있는 방법입니다.
본 연구는 이러한 단일 분자 실험의 장점을 십분 활용하여 DNA의 관찰과 동시에 서열 정보를 얻을 수 있는 새로운 DNA 염색 물질을 개발하는 것에 초점을 두었습니다. 기존에 해당 연구 분야에서 두루 사용되던 염료는 DNA 서열 특이성 없이 DNA에 결합하여 빛을 내는 삽입 염료 였는데, 이와 같은 삽입 염료의 특성상 B-form DNA의 길이를 신장시키고, DNA 결합 구조에서 오는 광분해에 의한 phosphate backbone 손상이 큰 문제가 되었습니다. 저희는 여러 요인들을 고려해서 새로운 DNA 결합 형광 염료를 개발하고자 하였습니다. 따라서 일본 교토대학교의 Hiroshi Sugiyama 교수님 그룹과 공동 연구를 진행하였습니다. 본 연구에서 새로이 합성 된 물질은 총 8개의 Pyrrole residue를 가진 small molecule-fluorophore conjugates이며 TAMRA-polypyrrole이라 명명되었습니다. 이 형광 유기 염료는 위에서 언급하였던 단점을 없앰과 동시에, 분자 자체가 서열 특이적인 probe로 작용하게 됩니다. 특히 pyrrole과 DNA minor groove가 수소결합을 이루게 되는데, TAMRA-polypyrrole은 그 중에서도 아주 민감하게 AT-rich 서열 특이적으로 DNA에 결합하게 됩니다. 따라서 기존의 균일하거나 무작위적인 형광 패턴이 아닌 서열 특이적인 형광 패턴을 보여줌으로써 현미경 사진을 통해 손 쉽게 서열 정보를 얻어낼 수 있습니다.
조금 생소할 수도 있는 위와 같은 기술, 즉 DNA 단일 분자를 관찰하고 동시에 서열 정보를 얻을 수 있는 실험 방식을 Optical mapping 이라 합니다. 기존에도 다양한 방식으로 optical mapping이 개발되어 왔지만 효소를 매개로 하여 서열 표지를 하거나, 특정한 조건 하에서 두 가지 이상의 probe를 사용하거나 하는 등 실험적으로 이를 손 쉽게 적용시키기 힘들었습니다. 그러나 본 연구에서는 단순히 형광 염료를 DNA와 섞고 관찰하는 과정만으로 서열 정보를 단일 분자 DNA에서 얻을 수 있었습니다. 또한 자동화 된 분석을 위해 연구실에서 독자적으로 Python 프로그램을 개발하였고, 이를 이용해 in silico genome 서열과 실험적으로 얻어 낸 형광 DNA 사진을 일대 일로 비교하는 과정을 거쳤습니다. 저희가 개발한 프로그램은 실험적으로 얻은 샘플을 정성 및 정량적으로 분석 함으로써 긴 genome 서열 가운데서 형광 현미경 상에서 촬영한 작은 DNA 조각의 위치 및 서열 정보를 얻는 것을 돕도록 하였습니다. 이는 일반적으로 사용하는 sequencing에서의 map to reference alignment와 같은 방법으로써, 단일 분자 DNA의 단편적인 이미지 데이터를 연결하여 전체 genome 서열을 얻을 수 있는 또 하나의 새로운 방법이라고 말씀 드릴 수 있을 것 같습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
저희 연구실은 서강대학교 화학과 및 바이오융합기술 전공 소속으로, 조규봉 교수님 지도 하에 현재 3명의 박사 및 석박사통합과정 학생, 6명의 석사과정 학생으로 구성되어 있습니다. 단일 분자 실험을 통해서 본 연구와 같이 DNA 분석 방법을 개발하고 있으며, 형광 단백질을 변형하거나 기존에 존재하던 다양한 단백질을 이용해서 DNA 결합을 보는 등, 거대 DNA 분자위에서의 특정 서열이나 결합 위치 및 특성을 관찰하는 방법 등을 연구하고 있습니다. 또한 아주 적은 농도에서의 DNA 손상 감지나 극 미량의 바이러스 Genome 검출과 같은 바이오센서 제작에도 힘쓰고 있습니다. 위와 같이 다양한 단일 분자 실험 중 한가지의 프로젝트를 개인별로 수행하고 있기 때문에 분위기가 자유롭고, 연구에 대한 토론 역시 활발하게 진행되는 편 입니다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
아무래도 단일 분자 실험, 특히 크기가 큰 DNA를 다루는 연구실은 국내 뿐만 아니라 세계적으로도 드물기 때문에 연구실에서 박사과정 뿐만 아니라 석사과정 학생들이 하는 프로젝트도 실험 방법이나 결과가 가장 첨단의 기술이라는 자부심이 있습니다. 또한 단일 분자와 관련 된 실험 분야는 앞으로도 무궁무진한 발전 가능성이 있는 것 같습니다. 따라서 지금껏 발견 되었거나 연구 된 모든 생물학 및 생화학 분야를 단일 분자 수준에서 규명한다면 새로운 학문의 장이 될 것이라는 기대가 있기 때문에 연구를 거듭할 수록 보람을 느끼는 것 같습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
모두가 모두의 사정이 있어서 조언을 드리기 어렵습니다만, 무엇을 하게 되든 중심을 잡고 나만의 일을 우직하게 하는 것이 좋은 것 같습니다. 저도 비록 연구를 시작한 지 얼마 되지 않았지만, 연구와 성과 등에서 부침이 있을 때가 있었습니다. 그 중에서도 연구에 진척이 없어 좌절을 느꼈을 때가 있었는데, 이것을 견뎌 낼 수 있는 힘은 꾸준함 이었던 것 같습니다. 무조건 성실 하게만 연구에 임하라는 이야기는 아닙니다. 하지만 스스로가 그린 그림을 위해 하루에 아주 조금씩이라도 무언가를 하는 것이 긴 학위과정에는 작지만 큰 도움이 되는 것 같습니다.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
본 연구에서와 같은 pyrrole-imidazole 기반의 molecule을 보다 다양한 서열에 적용시켜서 좀 더 확실한 genomic optical map을 얻어내는 것 입니다. 아직은 완전히 가다듬어지지 않은 서열 분석 방법이기 때문에 더 많은 연구가 필요할 것 같습니다. 반대로 말하면 수 많은 기회가 남아 있기 때문에 앞으로도 왕성하게 연구할 수 있는 좋은 기회가 될 것으로 기대하고 있습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들....
다른 모든 일이 그렇지만 제가 잘나서 이룬 것들은 하나도 없습니다. 좋은 결과를 낼 수 있도록 학문적으로 인간적으로 가르치고 돌봐주신 지도교수님인 조규봉 교수님께 가장 먼저 감사드립니다. 더불어 연구실에서 제게 물심양면으로 도움을 준 많은 선배님들과 랩원들에게 감사드립니다. 또한 마음으로 많이 의지할 수 있게 해 준 3명의 친구들에게 고맙다는 말 하고싶습니다. 마지막으로 늘 버팀목이 되어주었고 묵묵히 저를 지지해준 부모님과 지수에게 고맙다고 전하고 싶습니다.
형광 현미경을 이용하여 직접 DNA 분자를 관찰하는 경험은 여타 생물학을 연구하시는 많은 분들에게는 생소하실 수 있을 것 같습니다. 거대 DNA 분자 관찰 및 분석이라 칭하는 저희 연구 분야는 λ DNA 와 같이 50 kbp 이상의 DNA를 형광 물질이나 형광 단백질 등으로 염색하여 직접 단일 분자를 관찰하는 분야 입니다. DNA 분석이라 하면 통상적으로 서열 분석, 특히 차세대 서열 분석을 이용한 염기 쌍 수준의 분석을 일컫습니다. 하지만 이러한 차세대 서열 분석법에도 짧은 분석 서열로 인한 한계점이 존재하고, 실제 실험을 진행하다 보면 꽤 많은 양의 시료를 필요로 하는 등의 문제가 있습니다. 또한 DNA 결합 단백질 등을 연구하는 분야에 적용하였을 때에는 결합-비결합 사이의 중간 단계나, 이온 농도나 조건 등에 의한 변화를 관찰하기가 어렵습니다. 그러나 단일 분자 실험을 통해서는 이러한 문제들을 해결하기 쉽습니다. DNA 그 자체로는 Large scale의 structural variation과 같은 변이를 분석할 수 있고, 단백질 등과 함께 한다면 실제 한 분자가 하나의 데이터로써 검출 한계가 아주 낮아서 개별 분자의 동역학 등을 효과적으로 관찰 할 수 있는 방법입니다.
본 연구는 이러한 단일 분자 실험의 장점을 십분 활용하여 DNA의 관찰과 동시에 서열 정보를 얻을 수 있는 새로운 DNA 염색 물질을 개발하는 것에 초점을 두었습니다. 기존에 해당 연구 분야에서 두루 사용되던 염료는 DNA 서열 특이성 없이 DNA에 결합하여 빛을 내는 삽입 염료 였는데, 이와 같은 삽입 염료의 특성상 B-form DNA의 길이를 신장시키고, DNA 결합 구조에서 오는 광분해에 의한 phosphate backbone 손상이 큰 문제가 되었습니다. 저희는 여러 요인들을 고려해서 새로운 DNA 결합 형광 염료를 개발하고자 하였습니다. 따라서 일본 교토대학교의 Hiroshi Sugiyama 교수님 그룹과 공동 연구를 진행하였습니다. 본 연구에서 새로이 합성 된 물질은 총 8개의 Pyrrole residue를 가진 small molecule-fluorophore conjugates이며 TAMRA-polypyrrole이라 명명되었습니다. 이 형광 유기 염료는 위에서 언급하였던 단점을 없앰과 동시에, 분자 자체가 서열 특이적인 probe로 작용하게 됩니다. 특히 pyrrole과 DNA minor groove가 수소결합을 이루게 되는데, TAMRA-polypyrrole은 그 중에서도 아주 민감하게 AT-rich 서열 특이적으로 DNA에 결합하게 됩니다. 따라서 기존의 균일하거나 무작위적인 형광 패턴이 아닌 서열 특이적인 형광 패턴을 보여줌으로써 현미경 사진을 통해 손 쉽게 서열 정보를 얻어낼 수 있습니다.
조금 생소할 수도 있는 위와 같은 기술, 즉 DNA 단일 분자를 관찰하고 동시에 서열 정보를 얻을 수 있는 실험 방식을 Optical mapping 이라 합니다. 기존에도 다양한 방식으로 optical mapping이 개발되어 왔지만 효소를 매개로 하여 서열 표지를 하거나, 특정한 조건 하에서 두 가지 이상의 probe를 사용하거나 하는 등 실험적으로 이를 손 쉽게 적용시키기 힘들었습니다. 그러나 본 연구에서는 단순히 형광 염료를 DNA와 섞고 관찰하는 과정만으로 서열 정보를 단일 분자 DNA에서 얻을 수 있었습니다. 또한 자동화 된 분석을 위해 연구실에서 독자적으로 Python 프로그램을 개발하였고, 이를 이용해 in silico genome 서열과 실험적으로 얻어 낸 형광 DNA 사진을 일대 일로 비교하는 과정을 거쳤습니다. 저희가 개발한 프로그램은 실험적으로 얻은 샘플을 정성 및 정량적으로 분석 함으로써 긴 genome 서열 가운데서 형광 현미경 상에서 촬영한 작은 DNA 조각의 위치 및 서열 정보를 얻는 것을 돕도록 하였습니다. 이는 일반적으로 사용하는 sequencing에서의 map to reference alignment와 같은 방법으로써, 단일 분자 DNA의 단편적인 이미지 데이터를 연결하여 전체 genome 서열을 얻을 수 있는 또 하나의 새로운 방법이라고 말씀 드릴 수 있을 것 같습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
저희 연구실은 서강대학교 화학과 및 바이오융합기술 전공 소속으로, 조규봉 교수님 지도 하에 현재 3명의 박사 및 석박사통합과정 학생, 6명의 석사과정 학생으로 구성되어 있습니다. 단일 분자 실험을 통해서 본 연구와 같이 DNA 분석 방법을 개발하고 있으며, 형광 단백질을 변형하거나 기존에 존재하던 다양한 단백질을 이용해서 DNA 결합을 보는 등, 거대 DNA 분자위에서의 특정 서열이나 결합 위치 및 특성을 관찰하는 방법 등을 연구하고 있습니다. 또한 아주 적은 농도에서의 DNA 손상 감지나 극 미량의 바이러스 Genome 검출과 같은 바이오센서 제작에도 힘쓰고 있습니다. 위와 같이 다양한 단일 분자 실험 중 한가지의 프로젝트를 개인별로 수행하고 있기 때문에 분위기가 자유롭고, 연구에 대한 토론 역시 활발하게 진행되는 편 입니다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
아무래도 단일 분자 실험, 특히 크기가 큰 DNA를 다루는 연구실은 국내 뿐만 아니라 세계적으로도 드물기 때문에 연구실에서 박사과정 뿐만 아니라 석사과정 학생들이 하는 프로젝트도 실험 방법이나 결과가 가장 첨단의 기술이라는 자부심이 있습니다. 또한 단일 분자와 관련 된 실험 분야는 앞으로도 무궁무진한 발전 가능성이 있는 것 같습니다. 따라서 지금껏 발견 되었거나 연구 된 모든 생물학 및 생화학 분야를 단일 분자 수준에서 규명한다면 새로운 학문의 장이 될 것이라는 기대가 있기 때문에 연구를 거듭할 수록 보람을 느끼는 것 같습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
모두가 모두의 사정이 있어서 조언을 드리기 어렵습니다만, 무엇을 하게 되든 중심을 잡고 나만의 일을 우직하게 하는 것이 좋은 것 같습니다. 저도 비록 연구를 시작한 지 얼마 되지 않았지만, 연구와 성과 등에서 부침이 있을 때가 있었습니다. 그 중에서도 연구에 진척이 없어 좌절을 느꼈을 때가 있었는데, 이것을 견뎌 낼 수 있는 힘은 꾸준함 이었던 것 같습니다. 무조건 성실 하게만 연구에 임하라는 이야기는 아닙니다. 하지만 스스로가 그린 그림을 위해 하루에 아주 조금씩이라도 무언가를 하는 것이 긴 학위과정에는 작지만 큰 도움이 되는 것 같습니다.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
본 연구에서와 같은 pyrrole-imidazole 기반의 molecule을 보다 다양한 서열에 적용시켜서 좀 더 확실한 genomic optical map을 얻어내는 것 입니다. 아직은 완전히 가다듬어지지 않은 서열 분석 방법이기 때문에 더 많은 연구가 필요할 것 같습니다. 반대로 말하면 수 많은 기회가 남아 있기 때문에 앞으로도 왕성하게 연구할 수 있는 좋은 기회가 될 것으로 기대하고 있습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들....
다른 모든 일이 그렇지만 제가 잘나서 이룬 것들은 하나도 없습니다. 좋은 결과를 낼 수 있도록 학문적으로 인간적으로 가르치고 돌봐주신 지도교수님인 조규봉 교수님께 가장 먼저 감사드립니다. 더불어 연구실에서 제게 물심양면으로 도움을 준 많은 선배님들과 랩원들에게 감사드립니다. 또한 마음으로 많이 의지할 수 있게 해 준 3명의 친구들에게 고맙다는 말 하고싶습니다. 마지막으로 늘 버팀목이 되어주었고 묵묵히 저를 지지해준 부모님과 지수에게 고맙다고 전하고 싶습니다.
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