한빛사 인터뷰
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
암세포 내 NADH는 에너지 생성과 산화환원 항상성 유지 등 필수적인 역할을 하며, 암세포의 생존과 증식을 지원하는 핵심 대사 조절자로 잘 알려져 있습니다. 특히 NADH는 미토콘드리아 내 전자전달계에서 전자 전달체로 작용하여 ATP 합성에 중추적인 역할을 합니다. 이러한 특성으로 인해 NADH/NAD⁺ 비율을 인위적으로 교란하는 것은 암세포 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 잠재적인 치료 전략으로 주목받아 왔습니다. 하지만 이러한 NADH/NAD⁺ 비율을 교란시킬 수 있는 저분자 물질 개발은 아직 많이 이루어지지 않은 실정입니다.
본 연구에서는 근적외선 조사 하에 암세포 내 NADH/NAD⁺ 비율을 효과적으로 교란시킬 수 있는 새로운 광촉매를 발견하였고, 이를 생직교 클릭 화학(Bioorthogonal Click Chemistry)과 접목하여 암세포를 효과적으로 제거하는 새로운 접근법을 제안하였습니다. 생직교 화학은 생물학적 조건에서 빠르고 선택적인 반응을 가능하게 하며, 복잡한 세포 환경에서도 높은 반응 선택성을 통해 생물학적 시스템을 이해하는 데 중요한 도구로 사용됩니다. 생직교 화학 반응을 통해 약물, RNA, DNA, 형광체, 광감작제 등 다양한 분자를 세포 내에서 활성화시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이번 연구에서는 이러한 생직교 화학 반응 중 높은 선택성과 빠른 반응 속도를 보이는 Inverse Electron Demand Diels-Alder Cycloaddition (IEDDA) 반응을 활용하여 미토콘드리아 선택적으로 활성화되는 광촉매를 제시하였습니다.
연구에서 사용된 광촉매 Si-rhodamine은 밝고 안정적인 형광 신호와 생체 적합성을 갖춰 생물학적 이미징에 널리 사용되는 형광체입니다. 본 연구에서는 Si-rhodamine이 근적외선 조사 하에 NADH를 효과적으로 산화시켜 NAD⁺로 변환시키는 새로운 기능을 발견하였습니다. 구조가 유사한 O-rhodamine 및 C-rhodamine과 비교했을 때, Si-rhodamine은 월등히 높은 NADH 산화 능력을 보이는 것을 관찰하였습니다.
또한, Si-rhodamine에 IEDDA 반응기인 tetrazine을 도입하여 형광 및 광촉매 활성이 억제된 분자를 설계하였습니다. 이 분자는 미토콘드리아에 축적된 mito-TCO와 효율적인 생직교 반응을 통해 형광과 NADH 산화 능력을 회복하였으며, 빛 조사 하에서 암세포를 면역원성 세포사멸 형태인 파이롭토시스(pyroptosis)를 유도함을 확인하였습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
본 연구는 고려대학교 화학과 김종승 교수님이 이끄는 차세대 분자 테라노시스 연구단(Next-generation Molecular Theranostics Laboratory, http://orgchem.korea.ac.kr)에서 수행되었습니다. 연구실은 유기 합성과 분자 생물학의 융합을 바탕으로 저분자 바이오 소재의 설계 및 응용을 연구하고 있으며, 이를 통해 암, 노화, 알츠하이머병 등 주요 질병의 진단과 치료 방법을 개발하고 있습니다.
김종승 교수님은 새로운 학문에 대한 유연성을 바탕으로 탁월한 연구 지도를 하시며, 심도 있는 논의와 협업을 통해 많은 배움을 얻을 수 있는 기회를 제공합니다. 제자들에 대한 깊은 애정으로 가득하신 교수님과 함께 연구하는 과정에서 끊임없이 성장할 수 있는 좋은 환경을 제공하는 연구실입니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
연구주제를 선정하고, 이를 구체화하여 실현하며, 그 과정을 차근차근 논문으로 완성해 나간 것이 큰 보람이었습니다. 이러한 경험을 통해 앞으로 더 많은 연구 주제를 다루며 새로운 지식을 배우고 체득해 나갈 수 있는 능력이 쌓이고 있다는 점에서 큰 자부심을 느낍니다. 혼자라면 결코 해낼 수 없었을 일들을 교수님 및 연구실 멤버들, 그리고 공동 연구자분들의 많은 도움으로 성취할 수 있었기에 항상 감사한 마음을 가지고 있습니다. 특히 논문이 발표된 후, 지인 연구자들과 여러 가지 질문과 의논을 나누면서 제 연구가 다른 사람들의 연구에도 도움이 되고, 더 다양한 생명 현상을 연구하는 데 기여할 수 있다는 것을 실감하게 되었습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
화학생물학은 화학과 생명과학이 융합된 분야로, 생물학적 연구를 위한 도구들을 화학적 이해를 바탕으로 직접 제작할 수 있고, 즉각적으로 연구에 활용할 수 있는 유용한 물질들을 만들 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 또한, 기존에 존재하지 않았던 분자들을 창조하고, 이를 실제 생물학적 활용에까지 적용해보는 경험을 통해 다채롭고 통합적인 연구를 진행할 수 있습니다. 화학자로서 biomedical 분야에 응용할 수 있는 다양한 물질들을 연구하며, 이를 특정 분야나 목적으로 활용해보는 아이디어가 이어져 의미 있는 결과를 만들어낼 때 큰 재미와 보람을 느낄 수 있는 매력적인 분야라고 생각합니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
아직 경험이 부족한 초보 연구자에 불과하지만, 많은 연구자들과 활발히 교류하며 끊임없이 논문을 읽고 새로운 아이디어를 떠올릴 수 있는 연구자가 되기를 희망합니다. 제 궁극적인 연구 목표는 in vivo 또는 임상 수준에서 응용 가능한 질병 관련 센서 및 치료 시스템을 개발하는 것입니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
먼저, 항상 믿고 응원해 주시며 좋은 일이 있을 때 누구보다 기뻐해 주시는 김종승 교수님께 진심으로 감사드립니다. 교수님의 아낌없는 지도 덕분에 학위 과정을 무사히 진행하고 있으며, 이번 연구 또한 좋은 저널에 게재할 수 있게 되었습니다. 진심으로 감사드립니다. 그리고 이번 연구를 함께 진행한 Yunjie Xu 박사님을 비롯한 모든 공동 연구자분들께 깊은 감사의 마음을 전합니다. 또한, 미숙한 저에게 흔쾌히 아낌없는 조언과 노하우를 전수해주신 MTL 선배님들께 진심으로 감사드립니다. 함께 동고동락한 MTL 멤버들 모두에게 감사드리며, 끝으로 저의 든든한 버팀목이 되어 주신 가족에게도 깊은 고마움을 전하고 싶습니다.
#Bioorthogonal chemistry
#Photoredox catalysis
#Pyroptosis
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