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

Co-fractionation mass spectrometry (CFMS)는 유전자조작이나 항체생산없이 내생 단백질 복합체 (endogenous protein complex)들을 분석하는 방법입니다. 이 분석법에서 Native protein complex들은 각자의 생화학적 특성 (예. 사이즈, 표면 전하 등) 따라 fractionation됩니다. 각각의 fractionation된 샘플들은 질량분석기에 의해 분석되고, MaxQuant라는 소프트웨어를 통해 이 분석결과는 단백질 동정과 정량 정보로 전환된 후, 단백질 용출프로파일 (elution profile)로 변환됩니다. 그 후 protein complex 예측을 위해 이 elution profile들을 기본으로 clustering분석을 실시합니다.

수많은 단백질들은 세포내 다양한 과정을 조율하는 multiprotein complex 안에서 함께 기능을 발휘합니다. 이러한 단백질들 간의 네트워크 (protein-protein interaction network)는 식물의 발달 혹은 환경 변화에 대한 반응하는 다이내믹한 시스템으로 여겨집니다. Protein complex composition이나 cellular localization에 대한 정보는 세포내 항상성 유지를 위한 메커니즘과 시스템수준에서의 조절을 이해하는데 매우 유용한 정보입니다만, 그 양과 깊이가 아직 많이 부족합니다.

세계 3대 작물 중 하나인 벼의 endosperm은 우리의 에너지 공급원입니다. 이 endosperm은 starch endosperm 세포와, 그것을 둘러싸고 있는 aleurone 세포로 구분됩니다. 벼 종자발달과정중에 각각의 독특한 cell type으로 분화되고 축적하는 대사물질도 달라집니다. Starch endosperm은 이름 그대로 주로 전분을 축적하고, aleurone과 그 밑으로 4-6 세포층을 이루는 subaleurone 세포들은 영향학적으로 중요한 저장단백질, 지질, 비타민, 무기질 등을 합성하고 저장합니다. 이 생화학적으로 독특하고, 세포발달학적으로 중요하며, 종속영양 (heterotrophic, sink type tissue – no RuBisCO (광합성과정에서 탄소를 고정하는 지구상에 가장 많은 단백질))이며, 거의 single tissue type인 aleurone과 sub-aleurone에 존재하는 protein complex의 composition을 CFMS를 이용하여 예측했습니다.

이 논문에서는 100개의 aleurone-subaleurone layer를 벼 종자에서 벗겨낸 후 soluble protein complex들을 추출했습니다. 두개의 컬럼 크로마토그래피 (size exclusion and ion exchange chromatographies)를 사용해서 chance co-elution 효과를 최소화하였고, 다른 리서치그룹에선 사용되지 않은 biological replicates와 이에 맞춰 replicate 간에 엄격한 reproducibility filter를 적용했고, 또 측정된 protein complex 사이즈와 clustering을 통해 예측된 protein complex의 이론적으로 계산된 사이즈를 비교하여 신뢰성이 있는 770개의 protein complex predictions 만들었습니다. 이 large-scale의 protein complex 스냅샷은 많은 흥미롭고 새로운 homo/heteromeric complex들을 composition과 함께 제공하고 있으므로, 벼 종자 품질에 중요한 tissue의 발달과 생리에 대한 연구에서 시스템수준의 새로운 시각이 되었으면 좋겠습니다.


Figure 1. The CF-MS pipeline, composed of SEC and IEX separations, used to predict protein complex composition in the rice seed aleurone-subaleurone layers. (LEFT) From top to bottom, rice seed at 10 day after flowering, dehulled seed, and peeled aleurone. (Center) Co-fractionation mass spectrometry pipeline to predict protein complex composition. (Right) A systematic classification of protein complex predictions.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

이 연구는 박사과정 프로젝트 중에 하나였습니다. 우리 박사과정프로그램 Purdue University Interdisciplinary Life Science Program (PULSe)은 30개가 넘는 과에 소속된 200명 이상의 faculty들로 구성된 multiple disciplines 프로그램입니다. Department program과 가장 큰 차이는 1년 차에 있는 4번의 lab rotation 입니다. 랩로테이션을 통해 자신의 흥미와 “아주 잘” 맞는 faculty/랩을 찾을 수 있습니다. 또한 로테이션 기간 동안은 연구에 대한 부담이 다소 높지 않아서 유학이라는 새로운 환경에 놓여졌을 때 발생할 수 있는 정신적 힘듬 (생각보다 이러한 사례가 많이 보입니다)을 덜 겪을 완충지대이기도 합니다. 그리고 우리 프로그램은 신입생들이 더 잘 학교생활, 새로운 환경에 적응, 기분전환 등을 위한 각종 행사와 1:1 선후배 멘토링도 성공적인 박사과정을 위해 잘 준비되어있습니다.

최근 우리 프로그램에 업데이트된 점은 제가 속했던 Plant Biology Training Group에 지원을 원하는 학생을 대상으로 Center for Plant Biology (CPB)에서 인터뷰 이벤트를 주관합니다. CPB는 basic plant biology research를 수행하는 faculty들의 interdepartmental 연합입니다. 그래서 CPB 독자적인 장학금 기회도 제공됩니다. 독립적인 학생회도 구성되어 있고, 식물학 중심의 연구 이벤트 등도 있고, PULSe 소속이 아닌 일반학과소속의 faculty, postdoc, 학생들도 CPB에 있어서 연구에 도움을 받기도 좋고, co-work에 참여할 기회도 많고, 커뮤니케이션 스킬을 늘리기에도 좋습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

이번 논문 관련해서는 리뷰 과정 중 “훌륭하고 잘 수행된 리서치이고 실험 자체와 데이타분석에 어떠한 비평이나 코멘트가 없다”는 리뷰어1의 코멘트를 봤을 땐 매우 기뻤고 (물론 리뷰어1은 항상 좋은 이야기를 한다고 합니다), 나중에 힘들 때 보면서 힘내려고 잘 저장해 두었습니다.

학과 참석하면서 protein multimerization에 관해 발표하고 의견을 공유하는 중에 여러 연구자분들께 그분들의 관심 단백질의 multimerization state를 알려드리고, 다음번 학회에서 “multimerization state가 의미가 있더라”하는 이야기를 들으면 보람을 느낍니다. 제가 만든 데이터가 다른 연구자들이 가설을 세우는데 도움이 된다는 점에서 자부심을 많이 느끼고 있습니다.

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

제가 박사과정을 했던 프로그램 PULSe, 위에서 말씀드렸던 것처럼 좋습니다. 유학을 생각 중이시라면 한번 고려해 보셨으면 좋겠습니다. 특히 식물을 사랑하시는 분이라면 PULSe로 지원하시거나 CPB에 연계된 특정 학과로 바로 들어오시거나 차별없이 동일한 혜택을 받으실 수 있습니다. 오셔서 만났으면 좋겠습니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

이번 연구와 지난번 연구 (PMCID: PMC7997512)에서 많은 수의 evolutionarily conserved protein complex들이 fully assembled complex가 아닌 subcomplex로 존재함을 확인했습니다. Subcomplex로의 존재는 아마 기능적 다름을 의미하거나 혹은 조절의 메커니즘 중 하나 일 수 있습니다. 그래서 박사후과정동안엔 이러한 fully assembled state에서 subcomplex 혹은 monomer로의, 혹은 반대로의 경우에, protein assembly의 다이내믹한 변화가 식물의 발달과 환경에 대한 반응에 어떠한 의미를 갖는지 알아보겠습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

우선 이 프로젝트를 펀딩을 해준 미국립과학재단 (National Science Foundation)에 감사를 표합니다. 저는 이 프로젝트를 통해 박사과정동안 학비/월급을 받았습니다. 그리고 박사과정동안에 fellowship을 준 Purdue Graduate School과 Center for Plant Biology at Purdue University에 감사를 표합니다.

우리 교수님 Dr Daniel Szymanski께는 항상 감사드리며, 또 유학 오는데 많은 도움을 주신 서울시립대학교 환경원예학과 심이성 교수님, 김선형 교수님, 우수영 교수님께 감사의 말씀을 전해 드리고 싶습니다. 고맙습니다.