한빛사 인터뷰
- 등록2020-11-30
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1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
나노포어(nanopore)는 나노미터 혹은 그 이하 길이의 직경을 가지는 구멍을 통해 미세전류가 흐르는 상태에서 검체가 구멍을 통과할 때 발생하는 이온전류변화를 측정 및 분석하는 기술입니다. 나노포어 시스템은 비표지·긴판독길이·고효율·고감도·저비용·실시간 분석이 가능하다는 장점들을 바탕으로 다양한 생체물질의 구조 및 상호작용을 규명가능한 기술로 주목받고 있습니다.
현재 정교한 포어구조를 가진 미생물 유래 이온채널단백질들을 주축으로 한 검체구조분석을 통해 DNA sequencing, RNA methylation, Post-translational Modifications (PTM), peptide sequencing, enzyme activity analysis, protein-protein interaction (PPI) analysis 등 질병진단과 관련된 연구들이 진행되고 있으며, 최근에는 신종 코로나바이러스 감염증과 독감 확진여부를 검사하는데 활용되고 있습니다.
하지만 현행 상용화된 포어를 포함한 대부분의 단백질 기반 나노포어의 경우 포어의 크기 및 구조가 고정되어 있기 때문에 적용가능한 검체가 제한적이며, 검체 대비 커다란 vestibule 혹은 stem 구조에 의해 검체구조분석의 정확도가 떨어지는 문제가 있습니다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 site mutagenesis, error prone PCR을 기반으로 한 돌연변이 단백질 나노포어들을 개발하고 있지만 시간, 비용, 전문기술, 그리고 전문인력이 요구되는 한계를 가지고 있어 진입장벽이 높으며, 해외 선도그룹들이 나노포어 연구를 주도하고 있는 상황입니다.
본 연구진은 현행 나노포어기술이 직면한 포어구조의 한계점을 극복하기 위하여 막 내 에서 나노포어를 개발하는 연구를 하였습니다. 지질막 내에서 일어나는 사포닌(alpha-hederin)의 콜레스테롤 농도에 의존적인 포어형성 메카니즘을 규명하였고 이를 기반으로 5 nm 이하의 두께를 가지는 지질막 내에서 다양한 직경(0.6~2.5 나노미터)를 가진 단일 나노포어를 개발하였습니다. 상기 나노포어에 대한 상세 정보는 아래 연구를 참고해주시면 감사하겠습니다. (ACS Nano 2019, 13, 2, 1719–1727)
본 연구에서는 DNA 염기서열분석의 시작단계로서 개발한 alpha-hederin 나노포어의 검체 분석정확도를 테스트했습니다. 상기 나노포어로 Poly cytidine 서열 내 존재하는 adenosine 서열을 가진 DNA를 대상으로 adenosine 구조가 인식 가능한지 조사하였습니다. 다양한 직경을 가진 나노포어로 검체구조를 분석한 결과 사포닌 나노포어의 직경이 클수록 검체 내 adenosine 구조 분석정확도가 높아지는 것을 확인할 수 있었습니다. 이는 생체막 내 존재하는 alpha-hederin 나노포어의 직경이 커질수록 나노포어에 가해지는 장력이 커짐으로써 결과적으로 나노포어의 effective thickness가 얇아져 검체에 의한 미세전류변화를 보다 민감하게 관찰할 수 있었고, 이에 따라 검체분석 해상도가 향상된 것임을 밝혀내었습니다. 현재 poly cytidine 서열 내 연속된 3개의 adenosine 구조까지 분석가능하였고, 향후 나노포어의 분석해상도를 높임으로써 DNA 구조분석뿐만 아니라 관련된 다양한 검체분석을 가능하게하고 이를 바탕으로 질병진단 혹은 아직까지 밝혀지지 않은 생체메카니즘을 연구하는데 활용될 수 있는 기술로 발전시켜 나가고자 합니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
저는 경희대학교 생명공학원/식품생명공학과 식품소재 및 안전성 연구실(FMSL) 에서 학부연구생때부터 박사후과정까지 연구를 진행하였습니다. 지도교수님이신 김영록 교수님께서는 융합연구의 중요성을 강조하시며 식품분야를 포함하여 다양한 분야를 학습하고 익혀나가는 것을 장려하셨습니다. 이를 가능하게하기 위하여 학생들이 창의적인 생각을 의미있는 연구로 이어갈 수 있도록 다양한 종류의 실험기기와 시약들이 구비된 실험환경을 조성하는데에 전폭적인 지원을 해주고 계십니다.
본 연구실은 총 세 가지의 연구를 진행하고 있습니다. 1) 전분소재를 구성하는 아밀로스의 단분자레벨에서 일어나는 상호작용과 자기조립현상과 같은 근원적인 원리를 탐구하여 이를 실용적인 소재의 개발로 실현시키는 식품소재개발 연구와 2) 식품위생과 안전에 관련된 병원성 미생물과 유래 독소들을 검출해내는 바이오센서 개발 연구, 그리고 3) 생체물질들의 세포독성 메커니즘으로부터 나노포어 개발 및 이를 활용한 단분자 분석 기술 개발 연구입니다. 현상을 발견하고 이를 활용하여 실용적인 기술로 개발해나가는 연구를 할 수 있는 좋은 연구환경을 가지고 있습니다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
최근 나노포어 기술의 상용화가 실현되면서 다양한 산업에 기여하고 있고, 기술의 발전과 더불어 앞으로 더욱 성장할 것으로 생각됩니다. 국내에서도 상용화된 나노포어 기술을 활용하고 있습니다. 나노포어 분야는 세계에서 선도하고 있으며 국내에서는 그 수준에 미치지 못하는 실정에서 나노포어 연구를 하며 경쟁력과 미래에 대해 고민을 많이 했었는데 최근 나노포어를 주제로 한 학회 강연에서 현행 나노포어들을 소개하는 중 우리 연구실에서 개발한 alpha-hederin 나노포어가 있어서 다시금 자신감을 얻을 수 있었고, 그동안 연구했던 것에 대한 자부심을 느끼고 보람된 순간이었습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
연구를 하면 할수록 느껴지는 점으로는 알면 알수록 배워야할 점들이 많아지는 것 같습니다. 동시에 ‘내가 이렇게 몰랐었구나’라는 생각을 하게 됩니다. 저는 나노포어 분야는 융합적 사고가 중요하고 또한 요구되는 분야라고 생각합니다. 따라서 동료들과 좋은 관계를 유지하며 함께 나아가는 것이 연구생활을 효율적으로, 그리고 즐겁고 행복하게 풀어나가는 방법이라 생각합니다.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
Alpha-hederin 나노포어의 분석해상도를 증진시키고, 이를 기보고된 검체분석 기술들과 접목시켜 미시적으로는 Post Translational Modification (PTM), DNA methylation와 같은 구조적인 변화를 인식할 수 있는 단분자분석을 가능하게하고 거시적으로는 염기서열 분석, 펩타이드 분석과 같이 질병진단과 밀접한 관련이 있는 기술로 발전시켜 나가고자 합니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들....
본 연구를 처음부터 저널 게재까지 지도해주신 김영록 교수님께 감사의 말씀을 드립니다. 지도교수님으로부터 배운 지식과 지혜를 바탕으로 사회에 도움이 되는 연구를 하는 과학자가 되고 싶습니다. 생각이 막힐 때마다 디스커션하고 절망에 빠질 때마다 마음 다 잡고 다시 나아갈 수 있도록 물심양면으로 도와준 유상묵, 박진성, 그리고 박사동기 나극(Luo ke)에게 감사의 말씀을 드립니다. 시뮬레이션으로 Alpha-hederin 나노포어의 구조를 이해하는데 큰 도움을 주신 단국대학교 이환규 교수님께 감사의 말씀을 드립니다. 마지막으로 연구 생활에 큰 버팀목이며 안식처인 양가 부모님과 아내에게 감사의 말씀을 드립니다.
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