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

이노시톨 인산염(InsPs)은 세포 내에서 중요한 기능을 하는 대사체 중 하나로서, 인산기의 개수와 그 위치에 따라 다양한 역할을 수행합니다. 이 대사체는 세포 내에서 신호전달의 매개체로 작용하여 다양한 신호 전달 경로에 관여하기도 하며, 지방 분자와 결합해 세포막을 구성하기도 합니다. 이 외에도 칼슘 신호 조절, 에너지 균형 유지 등 생명 유지에 필수적인 과정들과 연관되어 있으며, 스트레스 반응, 손상된 DNA 회복, 면역 반응 조절 등 다양한 생명 현상을 조절합니다. 최근에는 당뇨병, 암, 염증성 질환, 신경 퇴행성 질환 등 여러 질병과의 관련성도 꾸준히 밝혀지고 있어, 그 중요성이 더욱 부각되고 있는 분자입니다.

이처럼 중요한 분자임에도 불구하고, InsPs 연구에는 여러 기술적 어려움이 존재해 왔습니다. 세포 내 InsPs의 농도는 매우 낮아 정량 분석이 쉽지 않았고, 분자량은 같지만 인산기의 위치가 다른 다양한 isoform들을 분리, 구분하기도 매우 까다로웠습니다. 게다가 InsPs는 세포 내에서 빠르게 생성되고 분해되기 때문에, 이러한 역동적인 변화를 추적하는 데에도 큰 제약이 있었습니다.

이러한 상황에서 2020년, 독일 프라이부르크 대학교 유기화학과 Jessen 교수님 연구팀이 개발한 모세관 전기영동(capillary electrophoresis, CE)을 접목한 전기분무 이온화 질량분석법(electrospray ionization mass spectrometry, ESI-MS)기법은 이 분야에 혁신을 가져왔습니다. 이 기술은 매우 낮은 농도의 InsPs를 빠르게 검출할 수 있을 뿐 아니라, 각 isoform을 정교하게 분리해낼 수 있어, 현재도 전 세계의 많은 연구자들이 Jessen 교수님 연구실과의 협업을 통해 InsPs를 분석하고 있습니다.

저희 연구팀은 여기에서 한 걸음 더 나아가, 단순히 InsPs의 양을 측정하는 것을 넘어 생체 내에서 얼마나 빠르게 생성되고 분해되는지를 (turnover) 파악하기 위한 방법을 고민하였습니다. 기존에는 방사성 동위원소로 표시된 인(³²P 또는 ³³P)이나 이노시톨(¹³C6-Inositol)을 사용하는 방식이 있었으나, 이 방법은 제한된 조건에서만 실험이 가능해 실제 생리적 환경을 충분히 반영하기 어려웠고, 측정 정확도 또한 낮았습니다. 이러한 한계를 극복하고자, 저희 실험실은 Jessen 교수님 연구팀과의 협업을 통해 ¹⁸O로 표지된 물을 사용하는 새로운 방법론을 고안하였습니다. 물은 생체 내에서 빠르고 자연스럽게 흡수되며, 흡수된 H₂¹⁸O는 곧바로 ATP 분자의 인산기로 전달되고, 이는 InsPs의 인산기를 구성하는 데 사용됩니다. 이를 통해 우리는 생리적인 조건에서 InsPs에 ¹⁸O가 도입되는 속도를 추적함으로써, 다양한 InsP의 turnover rate을 측정할 수 있었습니다. 이 방법을 통해 우리는 InsPs 종류마다 turnover rate이 몇 분 이내로 매우 빠른 것도 있고, 몇 시간 동안 거의 변하지 않는 형태도 존재한다는 점을 밝혔습니다. 또한 스트레스 조건에서는 이러한 대사 속도가 달라질 수 있다는 흥미로운 사실도 확인할 수 있었으며, 더 나아가 동일한 InsP라도 효모, 인간, 아메바 등 서로 다른 생명체에서 turnover rate가 매우 다르다는 사실을 밝혀냈습니다.

이번 연구는 이노시톨 인산염의 양을 정밀하게 측정하는 것을 넘어, 세포가 이 분자를 생성하고 분해하는 속도가 생물종이나 환경에 따라 어떻게 달라지는지를 탐구한 시도였습니다. 이를 위해 측정 기술의 한계를 극복하고, 실제 생리 조건에서 분자의 흐름을 추적할 수 있는 새로운 분석법을 개발하였습니다. 이번 결과는 세포 내 대사가 얼마나 정교하게 조절되는지를 보여주는 중요한 단서가 될 뿐 아니라, 향후 다양한 생명 현상과 질병 기전을 이해하는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

 Figure 1 Workflow for the analysis of cellular 18O labeled ATP and InsP pools through 18O-water labeling, combined with CE-MS analysis (https://doi.org/10.1021/jacs.4c16206)

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

본 연구는 스위스 로잔대학교 Immunobiology 학과의 Andreas Mayer 교수님 연구실과 독일의 프라이부르크 대학교 Organic chemistry 학과의 Henning Jacob Jessen 교수님 연구실의 협력 아래 수행되었습니다. 제가 포닥으로 일하고 있는 Andreas Mayer 교수님 연구실에서는 생명체의 필수적인 영양소 중 하나인 인산의 세포내 항상성 조절 메커니즘을 집중적으로 연구하고 있으며, 효모와 인간 세포를 모델로 삼아 Transcriptomics, Metabolomics, Proteomics, Genetics 등 다양한 분석기법을 통합적으로 활용하는 시스템 생물학적 접근을 지향하고 있습니다. 다양한 국적의 연구자들이 모인 국제적인 연구 환경에서, 물리학, 화학, 수학, 의학 등 여러 분야의 연구실들과의 긴밀한 협업을 통해 활발한 공동연구를 수행하고 있습니다. 이러한 다학제 간의 협력은 생명 현상에 대한 깊이 있는 통찰을 가능하게 하며, 기초생물학의 지식을 확장해가는 융합적 연구로 이어지고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

저는 생물학자로서, 이번 연구처럼 저 혼자서는 해결할 수 없는 질문들을 다양한 전공의 연구자들과 협력하며 함께 풀어나가는 과정에서 큰 보람을 느꼈습니다. 특히 화학자와의 협동연구가 기억에 많이 남았습니다. 처음에는 서로의 언어를 이해하지 못해 어려움도 있었지만, 수없이 많은 토론과 논의를 통해 서로를 이해하고 함께 프로젝트를 진행시켜 나갔습니다. 각자의 관점에서 문제를 바라보고, 전문성을 살려 하나의 연구를 완성해 가는 과정이 매우 흥미로웠습니다.

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

새로운 툴을 배우는 데 주저함이 없어야 합니다. 연구를 하다 보면 자신이 익숙하지 않거나 잘 모르는 분야의 개념, 실험기법, 혹은 분석 방법을 마주하게 되는 경우가 많습니다. 그럴 때 ‘나는 원래 이 분야 사람이 아니라서’라는 생각으로 한발 물러서기보다는, 오히려 그 순간을 성장의 기회로 삼는 태도가 중요하다고 생각합니다. 예를 들어 저의 경우, 원래 실험 중심의 생물학자였지만, 데이터 기반의 오믹스 분석이 연구에 꼭 필요하다고 판단한 후 뒤늦게 프로그래밍을 배우기 시작했습니다. 처음에는 생소한 언어와 분석 도구들이 낯설었지만, 꾸준히 학습하고 시도하다 보니 지금은 실제 연구에 적용하여 의미 있는 결과를 도출해 나가고 있습니다.

또한, 연구는 결코 혼자서 이루어지는 작업이 아닙니다. 현대 생명과학 연구는 복잡하고 다면적인 문제들을 다루기 때문에, 생물학자 혼자만의 시각으로는 한계가 있다고 생각합니다. 이제는 서로 다른 배경을 가진 연구자들과의 협업이 필수적이며, 실제로 제 연구 경험에서도 화학자, 의학자, 컴퓨터 과학자 등 다양한 분야의 전문가들과 함께 논의하고 실험을 설계하며 프로젝트를 완성해 나갔습니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

이번 연구에서는 H₂¹⁸O 를 이용하여 InsPs의 turnover rate을 측정하였으며, 이를 바탕으로 단순히 InsPs의 양 뿐만 아니라 얼마나 빠르게 생성되고 분해되는지에 대한 새로운 정보를 밝혀냈습니다. 이렇게 얻어낸 결과를 바탕으로, 최근에는 프라이부르크 대학교 수학과의 Timmer 교수님 연구실과 협력하여 수학적 모델링을 수행하였고, 이를 통해 InsP 대사의 핵심 경로를 보다 정량적이고 체계적으로 분석하였습니다. 그 결과, 효모와 인간 세포 모두에서 1,5-InsP₈의 합성 경로가 기존에 알려진 복수 경로가 아닌 선형 경로를 따른다는 새로운 사실을 밝혀내었으며, 이를 최근 preprint로 공개하였습니다.

현재는 다양한 유전자 변이체를 활용한 추가 실험을 통해 이 모델의 생물학적 타당성과 생물학적 의미를 검증 중이며, 생물학, 화학, 수학이 융합된 다학제적 협업을 통해 InsP 대사체계 조절 원리에 대한 이해를 더욱 심화해 나가고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

이번 연구를 가능하게 해 주신 로잔대학교 Andreas Mayer 교수님께 진심으로 감사드립니다. 또한, 정성껏 제 샘플을 분석해주신 프라이부르크 대학교 Henning Jessen 교수님과 연구실의 Liu 박사님, Qiu 박사님께도 특별히 감사의 말씀을 전하고 싶습니다. 인간 세포 샘플 준비를 도와주신 De Leo 박사님과 함께 토론하며 연구를 더욱 풍성하게 만들어준 동료 연구자들께도 깊은 감사를 드립니다.

아울러, 한국에서 학사, 석사, 박사 과정 동안 저의 학문적 토대를 닦아주시고 지도해주셨던 故 유상동 교수님께도 이 자리를 빌려 깊은 감사의 마음을 전하고 싶습니다.