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

식물 곰팡이 병에 의한 작물의 피해는 전세계적으로 상상을 초월한 정도로 피해가 막심합니다. 현재, 많은 살균제를 처리 함에도 불구하고, 잿빛곰팡이균에 의한 작물 피해는 년간 10억 달러 이상의 피해가 발생하고 있으며, 벼 도열병의 경우, 5천만 톤 이상의 벼가 매년 폐기되는 피해를 보고 있습니다. 또한, 현재 사용 되는 살균제에 대한 저항성을 가진 곰팡이 균의 출현에 따라 피해는 더욱 가중되고 있으며, 온실 가스 배출에 의한 지구 온난화에 따른 곰팡이균 서식지의 다변화는 기존에 존재하지 않던 곰팡이 균을 야기하여 더욱더 전세계가 방제에 어려움을 겪고 있습니다. 따라서, 식물 곰팡이 균을 보다 효과적으로 방제 하여 작물을 보호 하기 위한, 새로운 살균제의 개발이 지속적으로 요구 되고 있습니다. 현재 많은 다국적 기업들과 연구소에서 개발되고 있는 새로운 곰팡이균 살균제 후보 물질들은 엄격해진 환경 영향 평가 및 안정성 문제로, 새로운 살균제 개발에 이르지 못하고 있습니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결 하고자 하는 목표로 시작되었습니다. 인간 질병에 대한 신약 개발은 다양한 방법으로 진행 되어 왔습니다. 특정 질병 발달 과정중, 표적 인자의 활성을 조절 하는 신약 물질 개발은 많은 성과를 냈지만, 식물 곰팡이 균에 대한 새로운 살균제 개발의 경우, 특정 표적 인자를 대상으로 활성을 조절 하는 살균제 후보 물질 개발은 미진한 상태 입니다. 본 연구는, 잿빛곰팡이의 발달 과정과 식물에 감염되는데 중요한 역할을 하는, 잿빛곰팡이내 자가포식 과정에 주목을 하였습니다. 자가포식 과정은 모든 진핵 세포 생물에 진화적으로 잘 보존되어 있는 기작으로, 세포 외부로 부터 전해진 환경에 대한 신호 자극에 대한 세포내 항상성을 유지 및 세포내 독성 물질을 제거 하는 아주 중요한 기작입니다.

본 연구진은, 잿빛곰팡이의 자가포식 활동을 저해하는 물질을 개발하고, 이를 새로운 살균제로서 사용 가능성을 확인하기 위하여, 잿빛곰팡이 자가포식 과정중 ATG4 시스테인 프로데아제 효소를 표적으로, 효소의 활성을 손쉽게 확인 할 수 있게 ATG4의 기질인 ATG8 단백질에 Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET)이라는 기법을 적용하여 합성 센서를 개발 하였습니다. 이 BRET 기반 ATG8 합성 센서는 ATG4에 의해서 합성 ATG8 센서가 잘려 나가게 되며, 이는 BRET ratio가 줄어 드는 것을 확인 할 수 있고, BRET ratio를 통한 ATG4 효소 활성을 측정 할 수 있습니다. 이를 이용하여, high-throughput screening platform을 최적화 하여, 미국 FDA에 승인된 화합물과 현재 인간 질병에 대한 임상 실험중인 화합물을 포함한 2,700 여개의 화합물을 대상으로 스크리닝을 수행 하였으며, Ebselen 이라는 화합물이 ATG4 효소 활성을 아주 강력하게 저해 함을 확인 하였고, Ebselen 화합물 구조와 유사한 Ebselen oxide와 PBIT 화합물 또한 효소 활성 억제에 효과가 있음을 확인 하였습니다. Ebselen은 인간을 대상으로 경구 투약을 하였을때, 특정 질병의 치료 효과를 검증한 신약 후보 물질 입니다. 이는 현재 기존의 다른 살균제와 비교 하였을 때 인간에 대한 독성이 현저히 낮은 살균제라 할 수 있겠습니다. 앞서 간략히 설명한 바와 같이, 인간을 포함한 진핵 생물의 자가포식 기작은 생명 활동 전반에 걸쳐 아주 중요한 기작 입니다. 또한, 진화적으로 잘 보존 되어 있는 자가포식 기작은, 잿빛곰팡이 ATG4를 대상으로 선별된 Ebselen과 그 Analog들이 벼 도열병균과 들깨 균핵병균, 잿빛무늬병원균에도 살균제의 효과를 보여 다양한 곰팡이균 제거에 적용가능성을 보였습니다.

곰팡이균에 대한 살균제 개발 분야 뿐만 아니라, 인간의 암 발병과 퇴행성 신경 질환인 알츠하이머 및 파킨슨 병등의 발병 기작에도 자가포식에 의한 조절이 매우 중요하여, 전세계 연구자들에 의해 자가포식 기작을 표적으로 많은 신약 개발 연구가 이루어 지고 있습니다. 따라서 본 연구에서 저희 팀이 개발한 스크리닝 방법으로 이들 병을 타깃으로 하는 신약 개발에 응용이 가능하다고 전망합니다.

오랜 시간 동안 연구와 논문 출판을 준비 하면서 많은 일들이 있었습니다. 미국과 한국, 다시 미국을 오가며 준비하는 동안, 안타깝게도 저자 중 한 분이신 Martin Dickman 교수님께서 이 논문이 출판되는 걸 보시지 못하고 영면에 드셨습니다. 이 연구에 많은 도움을 주신 교수님께 늦었지만 이 자리를 빌어 감사하다는 말을 전하고 싶습니다.

   -  ATG4에 의한 BRET 기반 ATG8 합성 센서 절단 과정을 Ebselen 의한 저해되는 모식도

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

주요 연구는 현재 제가 소속된 와이오밍 주립대의 분자생물학과 내 Host-microbe interaction을 공부하는 박은숙 박사 연구실에서 수행 되었습니다. 래러미라는 작은 도시에 위치한 와이오밍 주립대는 와이오밍주 내 하나뿐인 주립대로, 주에서 많은 지원이 이루어 지고 있습니다. 분자생물학과는 14명의 교수진으로 구성 되어 있으며, 다양한 모델 생물체를 대상으로 생명 현상을 공부 하고 있습니다. 저희 랩은 Host-microbe interaction을 주제로 크게 네가지 방향으로 연구를 수행 하고 있습니다. 첫번째는, 식물체내 다양한 세포 소기관들이, 식물의 면역 반응시, 어떻게 그들의 형태를 변화 시키며, 세포내 소기관들 사이에 어떻게 신호를 주고 받으면서, 식물 면역 반응에 기여 하는 지를 연구 하고 있으며, 특히 식물 면역 반응에 중요한 세포내 소기관인 엽록체의 특이한 형태 변화인, 스트로마가 채워진 관 형태의 Stromule을 통한 엽록체와 핵 간의 신호 교환이 식물 면역체계에 어떻게 기여하는지에 대해서 연구 하고 있습니다. 다음으로, 식물 병원균이 식물 host 대상으로 병을 일으키는 발병 기작을 연구 하고 있습니다. 세부적으로, 이펙터라 통칭하는, 병원균내에서 발현되어 호스트 내로 분비되는 병원균 단백질이 식물의 단백질과의 상호작용 기작을 AI 기반의 단백질 구조 예측 방법을 통한, 상호 자용을 연구 하고 있으며, 세번째 주제는, 지구 온난화에 따른 남극 극지 식물을 감염 시켜 남극의 식물 생태계를 위협하고 있는 새로운 곰팡이 균의 온도 변화에 따른 발병 기작을 한국의 극지 연구소와 협력 연구로 진행하고 있습니다. 마지막으로, 본 연구와 연관된 주제로, 자가포식 기작을 표적으로, 식물과 동물, 인간에 병원성을 보이는 다양한 곰팡이균들에 대한 신약 후보 물질 개발 및 응용에 관한 연구를 수행 하고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

생명현상 연구는 많은 시행 착오를 경험하게 되며, 그 곳에서 왜 그렇게 되었는지데 대한 끊임없는 물음속에서 하나씩 답을 찾아 가는 긴 여정입니다. 연구의 실패에서 문제 해결책을 찾을때의 희열은 어떤 것과도 바꿀 수 없는 경험으로, 연구 실패 자책 보단, 왜 그럴까 라는 질문을 던지고, 단순 반복적인 실험과 연구에 매몰되긴 보다는, 주변의 많은 선배, 동료, 후배들, 그리고 선생님들과 디스커션을 통해서 문제를 해결 해 나가야 할 것입니다. 반복되는 연구 실패는 회피나 숨겨야 하는 두려움의 대상이 아니라 동료들과 함께 해결 해야 하는 대상입니다.

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

학위 과정동안 실험이나 연구 주제등에 몰입하는 것도 중요하지만 세미나나 수업을 통한 다양한 분야를 경험 하실 것을 추천 드립니다. 자신의 연구 주제에 집중하기에도 벅찬 면이 있겠지만, 다른 실험실 동료들과 교류를 통하여 다양한 실험 방법에 대한 정보를 얻을 수 있고 이를 통한 문제 해결 방식을 경험 할 수 있어서, 이는 앞으로의 진학 방향을 결정하는 것 뿐 아니라, 자신의 연구 주제를 수행함에 있어서도 많은 도움이 됩니다. 그리고, 다양한 분야에 대한 경험은, 차후 프로젝 리더가 되었을 때, 연구 과제를 만들고 수행하는데 많은 도움이 됩니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

이번 논문은, BRET 기반 ATG8 합성 센서를 이용 하여 식물 곰팡이균의 자가포식 기작을 표적으로, high-throughput screening platform을 최적화 하였습니다. 앞서, 설명 드린바와 같이, 자가포식 기작은 진화적으로 잘 보존 되어 있어서 저희 논문에 소개된 실험 방법을 바탕으로 다른 진핵 생물균에도 쉽게 적용 될 수 있는 장점이 있습니다. 현재, 인간에게 질병을 일으키는 다양한 곰팡이 균에 대한 신약 후보 물질 개발을 계획하고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

미국 캘리포니아주 데이비스에서 시작 하여 서울로, 다시 래러미로, 장소를 옮기면서 오랜 시간 동안 준비한 이 논문이 나오기까지, 저를 지원해준, 제 보스이자, 동료, 사랑하는 아내, 박은숙 박사에 이 지면을 빌어 고맙다는 말을 전하고 싶으며, 서울에서 인연으로 지금까지, 이 연구를 위하여 많은 일을 한 정승미 학생에게도 감사의 말을 전합니다. 저를 지도 해주시고, 이 연구를 아낌없이 지원해 주신, Dinesh-Kumar 박사님과 이용환 선생님, 최도일 선생님께, 그리고 공동 연구에 참여 해주신 모든 분께 머리 숙여 감사의 말을 전하고 싶습니다.