한빛사 인터뷰
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
형광 기반 바이오이미징 기술은 생체 내 세포와 조직을 시각화하며 생물학 및 의학 연구에 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. 특히, 생물직교화학(bioorthogonal chemistry)은 생체 내 자연적인 생화학적 과정에 간섭하지 않으면서 원하는 표적을 빠르고 선택적으로 라벨링할 수 있는 혁신적인 방법을 제공합니다. 이 중에서도 테트라진(Tz)과 친다이엔체(dienophile) 간 inverse electron-demand Diels-Alder (iEDDA) 반응은 높은 반응성, 생체 적합성, 그리고 반응 후 형광 증폭(fluorogenicity)을 특징으로 하며, 바이오이미징 연구에서 주목받고 있습니다.
기존 연구들에서는 주로 테트라진 프로브의 형광 증폭 현상 및 효율을 최적화하는 데 초점이 맞춰져 있었고, 생물직교반응물의 구조적 차이에 따른 형광 특성을 체계적으로 탐구한 연구는 부족했습니다. 따라서, 이번 연구에서는 테트라진 프로브가 반응하는 dienophile의 종류에 따라 형성하는 Tz-dienophile 반응물의 구조적 차이가 형광 발현 특성에 미치는 영향을 구체적으로 분석하고자 하였습니다.
Tz 기반 형광 프로브의 구조와 형광 특성 간의 관계를 체계적으로 분석하기 위해, Seoul-Fluor (SF)를 기반으로 한 테트라진 프로브 (SFTz)를 설계 및 합성하여 세 가지 dienophile(TCO, BCN, Sph)과의 iEDDA 반응에 따른 형광 활성화(turn-on) 특성을 관찰하였습니다. 실험 결과, 각각의 Tz-dienophile 반응물이 고유한 형광파장을 나타냈으며(TCO: 청색, BCN: 녹색, Sph: 적색), π-결합 구조와 Tz-dienophile 반응물의 구조적 차이에 따라 형광파장이 달라짐을 확인하였습니다. 양자화학계산 (TD-DFT calculation)을 통해 각 반응 산물의 분자 오비탈 분포 (Molecular orbital distribution)와 형광파장 차이를 예측하여 실제 실험 결과와의 높은 상관성 또한 확인하였습니다.
이러한 독창적 형광 증폭 특성을 기반으로 하여, 하나의 SFTz 프로브를 이용한 멀티컬러 이미징을 구현하였습니다. HaloTag fusion protein을 활용해 세포 내 특정 단백질, 리소좀, 지질 방울 등 다양한 생체 타겟을 동시에 시각화하는 데 성공했습니다. 이러한 연구는 다중 표적의 동시 관찰 및 복잡한 생리적 과정을 심층적으로 모니터링할 수 있는 새로운 프로브 설계 원리를 제시하며, 향후 질병 진단과 실시간 바이오이미징 기술 발전에 기여할 것으로 기대됩니다.
Figure 1. 본 연구결과의 요약 모식도
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
본 연구는 제가 박사과정을 수행하고 있는 서울대학교 화학부 화학생물학 연구실(https://chembio.snu.ac.kr/ )에서 진행되었습니다. 저희 연구실은 다양한 생명현상을 탐구할 수 있는 형광 기반 탐지자의 개발 및 응용과 암, 퇴행성 뇌질환, 바이러스성 감염병 등과 같은 난치성 질병 치료를 위한 독창적 저분자 화합물들의 합성 및 치료 효능 입증 연구를 수행하고 있습니다. 유기화학, 생명과학, 약학 등 여러 분야의 배경을 가진 연구원들이 시너지를 내며 화학생물학 전반을 아우르는 폭넓은 연구를 활발히 진행하고 있습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
연구 초기에는 예상했던 결과가 나오지 않는 경우가 훨씬 많았고, 반복적인 실패를 경험하며 한동안 다른 프로젝트에 집중했던 시기도 있었습니다. 시간이 지나 다른 프로젝트를 마무리하며 얻은 경험과 노하우를 바탕으로 본 연구를 다시 시작했을 때, 비로소 원하는 결과를 얻는 데 성공했습니다. 이 과정에서 초기의 실패 경험들이 큰 자산이 되었고, 이를 통해 연구 과정이 더욱 효율적으로 진행될 수 있었습니다.
연구는 예상대로 진행되지 않을 때가 잘될 때보다 훨씬 많은 것 같습니다. 그러나 실패 속에서 배운 교훈들이 쌓이면서 결국 값진 결과를 얻을 수 있었습니다. 이러한 경험을 통해 실패했던 지난 시간들이 헛되지 않았음을 느끼며, 보람되게 다가왔습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
화학생물학 분야로 연구를 하고 싶으신 분들께 말씀드리고 싶은 것은 연구를 하고자 하는 목적이 명확하고, 그것이 본인에게 가치 있는 일이셨으면 좋겠습니다. 저의 경우에는 제가 흥미가 있는 유기화학을 통해 사회와 사람들에게 도움이 되고 싶었고, 그 방법으로 화학생물학 연구를 택했습니다. 유기합성을 통해 도출해낸 다양한 기능의 화합물들을 활용하여, 질병을 포함한 다양한 생명 현상들을 이해하는 학문인 화학생물학이 저에게 충분히 가치 있는 연구분야라고 판단하여 시작하게 되었습니다. 저와 비슷한 흥미와 가치를 가지신 분들께는 화학생물학 연구가 좋은 선택이 될 것 같습니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
앞으로도 지금까지의 연구를 바탕으로 더욱 고도화된 기능과 다양한 응용 가능성을 지닌 형광 기반 프로브를 개발해 나갈 계획입니다. 이러한 연구를 통해 다양한 생명현상을 매개하는 단백질 상호작용과 같은 생체 내 표적을 정밀하게 시각화하고, 이를 기반으로 질병 치료를 위한 새로운 기전의 발견과 혁신적인 치료제 개발에 기여할 수 있기를 기대합니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
이번 연구는 많은 분들의 도움으로 무사히 마칠 수 있었습니다. 먼저, 본 연구가 게재되기까지 전폭적인 지원을 해주시고 세심히 지도해주신 박승범 교수님께 감사드립니다. 그리고 저의 대학원 입학부터 지금까지 본인이 쌓아온 노하우와 지식을 아낌없이 전달해주고 늘 함께 고민해주는 김다함 박사님께 많은 감사를 드립니다. 박사님 덕분에 많이 성장할 수 있었고, 함께 연구할 수 있어 감사합니다. 부사수 소희에게도 입학하자마자부터 성실히 잘 따라와주어서 감사하다고 말하고 싶습니다. 앞으로도 함께 좋은 결과 만들 수 있도록 노력하겠습니다. 어플리케이션 과정에 흔쾌히 도움을 준 변완기 박사님께도 감사의 말씀을 전합니다. 그리고 연구실 선후배 동료들에게도 다양한 방법으로 곁에서 늘 힘이 되어주어서 감사드립니다! 켐바이오 파이팅 ♡
마지막으로 관악에 콕 박혀서 잘 보러 오지도 않는 딸을 언제나 응원해주시고 사랑해주시는 부모님과, 옷장 셰어와 다양한 뒤치다꺼리를 해주며 함께 살아주는 동생 동동이에게도 감사드립니다 사랑합니다!
#bioorthogonal chemistry
# fluorescence bioimaging
# tetrazine fluorogenic probe
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