DNA가 손상되면 복구 단백질들이 DNA 위를 돌아다니며 손상된 곳을 찾고, 손상 부위를 잘라내거나 고친다. 질병과 밀접한 DNA 손상 복구 기전을 이해하려면 DNA와 단백질의 ‘만남’ 과정을 살펴봐야 하는 이유다. 그런데 이 과정을 관찰하기 위해 쓰는 형광 ‘꼬리표’가 오히려 단백질을 DNA에서 떼어낼 수 있다는 사실을 국내 연구진이 밝혀냈다. 연구팀은 이러한 간섭을 줄일 수 있는 기준도 찾아내, 더 정확한 단분자 관찰로 DNA 손상 복구 기전을 밝히는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

UNIST 생명과학과 이자일 교수와 에너지화학공학과 박종남 교수 공동연구팀은 상용 양자점 표면의 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycol, PEG)이 단백질과 DNA의 결합을 방해한다는 사실을 규명하고, 이를 막을 수 있는 양자점 표면 설계 기준을 제시했다고 9일 밝혔다. 

양자점은 일반 형광 염료보다 밝고 빛을 오래 내기 때문에, 관찰 대상 단백질에 형광 꼬리표처럼 붙여 움직임을 추적할 수 있는 나노 물질이다.

연구에 따르면, 양자점 표면에 PEG가 과도하게 입혀지면 단백질과 DNA 사이의 결합이 약해진다. PEG는 양자점을 수용액에 분산시키고 항체를 연결하기 위해 양자점 표면에 입히는 고분자 중 하나지만, 표면에서 차지하는 비율이 지나치게 높으면 관찰 대상의 결합까지 방해하는 것이다. 항체는 양자점이 관찰 대상 단백질과만 붙도록 해주는 물질이다.

연구팀은 DNA 손상 복구 단백질인 XPA와 DNA 간의 결합을 양자점으로 관찰하던 중, 상용 양자점의 농도가 높아질수록 XPA가 DNA에서 떨어지는 현상을 발견해 이번 연구를 시작했다. 양자점의 종류와 크기, 연결된 항체와 DNA 구조를 바꿔도 같은 현상이 나타났다.

양자점 표면 성분을 나눠 실험해본 결과, 원인은 PEG였다. 분자 크기가 다른 PEG를 직접 넣어도 XPA가 DNA에서 떨어진 반면, 다른 고분자인 덱스트란은 결합을 방해하지 않았다. 또 다른 DNA 손상 인식 단백질인 UV-DDB에서도 같은 현상이 확인됐는데, 이는 다양한 단백질-DNA 연구에서 유사한 간섭이 발생할 수 있음을 시사한다.

연구팀은 양자점 표면에서 PEG 계열 성분이 차지하는 비율을 조절한 결과, 7% 미만일 때 단백질-DNA 결합이 유지된다는 기준도 찾아냈다. PEG 비율을 낮춘 양자점은 밝기와 수용액 내 안정성도 유지해 단분자 관찰에 활용할 수 있었다.

새 양자점을 이용해 XPA가 DNA 손상 부위를 찾는 방식도 밝혔다. XPA는 DNA에 붙은 채 가닥을 따라 움직이는 ‘1차원 확산’과 용액 속을 돌아다니다가 벌어진 DNA 구조에 직접 부딪혀 결합하는 ‘3차원 충돌’을 모두 이용하는 것으로 나타났다. 단백질 농도가 낮을 때는 1차원 확산이 표적을 찾는 데 유리한 것으로 알려져 있지만, 세포 내부에서 농도가 높은 XPA는 3차원 충돌이 주된 탐색 방식이었다.

이번 연구에는 UNIST 생명과학과 김영서 연구원과 에너지화학공학과 김혜림 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

박종남 교수는 “양자점 표면을 덮는 물질의 종류와 비율을 정밀하게 조절해 밝기와 안정성은 유지하면서 생체분자에 미치는 간섭은 줄였다”며 “이 같은 설계 방식은 양자점뿐 아니라 다양한 나노입자 기반 생물학 연구 도구를 개발하는 데도 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 

이자일 교수는 “상용 양자점이 단순한 관찰 도구가 아니라 단백질과 DNA의 결합 자체를 흔들 수 있다는 점을 처음으로 체계적으로 확인했다”며 “이번에 개발한 양자점은 생체분자의 원래 상호작용을 유지하면서 단분자의 움직임을 더 정확하게 관찰하는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF), 기초과학연구원(IBS), 산업통상부 기술혁신사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 컨버전스(Nano Convergence)’에 6월 3일 온라인 게재됐다.

(논문명: Engineering Quantum Dot Surfaces to Preserve Protein-DNA Interactions for Single-Molecule Visualization)

연구 결과 개요

1. 연구배경
양자점(Quantum Dot, QD)은 높은 밝기와 뛰어난 광안정성을 지닌 형광 나노입자로, 단백질-DNA 상호작용처럼 매우 작고 빠르게 일어나는 생체분자 반응을 장시간 관찰하는 데 유용한 형광 표지자로 주목받아 왔다. 그러나 양자점은 단순한 관찰 도구가 아니라, 표면 화학적 특성에 따라 생체분자 상호작용 자체에 영향을 줄 가능성이 있다. 특히 상용 양자점 표면에는 수용액 내 안정성과 생체적합성을 높이기 위해 PEG(polyethylene glycol) 고분자가 흔히 사용되지만, 이러한 PEG 코팅이 단백질-DNA 결합 안정성에 어떤 영향을 미치는지는 충분히 검증되지 않았다. 이에 연구팀은 DNA 손상 복구 단백질 XPA를 모델 시스템으로 사용해, 양자점 표면 화학이 단백질-DNA 상호작용과 단분자 이미징 결과에 미치는 영향을 체계적으로 분석했다.

2. 연구내용
연구팀은 XPA 단백질에 항체 결합 양자점을 부착해 DNA와의 결합을 분석하던 중, 양자점 농도가 증가할수록 XPA가 DNA에서 분리되는 예상치 못한 현상을 발견했다. 이는 형광 표지자로 사용되는 양자점이 단백질-DNA 복합체의 안정성을 교란할 수 있음을 보여준다. 이 현상의 원인을 밝히기 위해 연구팀은 양자점의 발광 파장과 크기, 결합 항체의 종류, 단백질 표지 방식, 완충액 조성, DNA 구조 등을 체계적으로 바꿔가며 분석했다. 그 결과, XPA 해리 현상은 특정 항체나 실험 조건 때문이 아니라, 상용 양자점 표면에 공통적으로 존재하는 PEG 코팅과 관련되어 있음을 확인했다. 실제로 PEG를 단독으로 처리했을 때도 XPA-DNA 복합체가 불안정해졌다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 양자점 표면 고분자를 새롭게 설계했다. 표면 고분자를 양자점 표면에 안정적으로 결합하는 앵커 그룹, 수용액 내 분산성을 높이는 친수성 그룹, 항체 결합을 가능하게 하는 PEG 기반 기능성 그룹으로 나누고, 각 성분의 비율을 정밀하게 조절했다. 그 결과, PEG 기반 기능성 그룹의 비율을 7% 미만으로 낮추면 XPA-DNA 결합이 유지되면서도 양자점의 콜로이드 안정성과 형광 특성이 보존되는 것을 확인했다. 또한 연구팀은 SPAAC 클릭 화학을 이용해 항체를 저PEG 양자점에 결합함으로써, 단백질-DNA 상호작용을 방해하지 않는 형광 표지 시스템을 구축했다. 이를 단분자 DNA 커튼 실험에 적용한 결과, XPA가 DNA 버블 구조에 우선적으로 결합하는 모습을 직접 관찰했다.
나아가 XPA가 손상 유사 구조를 탐색할 때 3차원 충돌 방식 더 지배적으로 작용한다는 점을 확인했다.
연구팀은 또 다른 DNA 손상 인식 단백질인 UV-DDB에서도 PEG 및 상용 양자점에 의해 DNA 결합이 약화되는 현상을 확인했다. 이는 PEG 유발 단백질-DNA 결합 교란이 XPA에만 국한되지 않고, 다양한 단백질-DNA 연구에서 발생할 수 있음을 보여준다.

3. 기대효과
이번 연구는 단분자 이미징 분야에서 널리 사용되는 상용 양자점이 생체분자 상호작용을 교란할 수 있다는 숨겨진 한계를 체계적으로 규명했다는 점에서 의의가 있다. 기존에는 양자점이 주로 밝기와 광안정성이 뛰어난 형광 표지자로 평가됐지만, 본 연구는 양자점 표면 화학이 단백질-DNA 결합 안정성과 실험 결과의 신뢰성에 직접적인 영향을 줄 수 있음을 보여줬다. 연구팀이 제시한 PEG 밀도 조절 전략은 단백질-DNA 상호작용을 보존하면서도 안정적인 단분자 이미징을 가능하게 한다. 특히 PEG 비율을 낮추되, 친수성 고분자와 표면 결합 그룹을 함께 조절함으로써 양자점의 분산 안정성과 형광 성능을 유지할 수 있는 설계 원칙을 제시했다. 이러한 표면 설계 전략은 양자점뿐 아니라 다양한 나노입자 기반 생물학적 도구 개발에도 적용될 수 있다. 향후 단분자 이미징 연구의 신뢰성과 재현성을 높이고, DNA 손상 복구를 포함한 다양한 생체분자 메커니즘 연구에 활용될 것으로 기대된다.

용   어   설   명

1. 양자점(Quantum Dot, QD)
수 나노미터 크기의 반도체 형광 나노입자. 외부에서 빛을 쪼여주면 빛(형광)을 낸다. 높은 밝기와 광안정성으로 단분자 이미징, 바이오센서, 디스플레이 등에 폭넓게 활용된다. 단분자 이미징에서는 양자점 표면에 항체를 연결하고, 이 항체가 관찰 대상 단백질을 선택적으로 부착하게 해 단백질의 움직임을 추적한다.
2. PEG(Polyethylene Glycol)
수분산성과 생체적합성을 높이기 위해 나노입자 표면에 코팅하는 고분자. 본 연구에서 단백질-DNA 복합체를 불안정화하는 원인으로 규명됨.
3. XPA(Xeroderma Pigmentosum complementation group A)
DNA 뉴클레오타이드 절제 복구(NER) 경로의 핵심 단백질. XPA 유전자 결함 시 색소건피증이 발생하며, 피부암 발생률이 일반인보다 수백~수천 배 높아짐.
4. DNA 커튼(DNA curtain)
유리 표면에 수백 개의 DNA 분자를 평행하게 정렬하고 형광 현미경으로 단백질의 움직임을 실시간 추적하는 단분자 이미징 기법.
5. SPAAC 클릭 화학(Strain-Promoted Azide-Alkyne Cycloaddition)
아자이드와 고리 변형 알카인 사이의 화학 반응을 이용한 생체 친화적 결합 방법. 별도의 촉매 없이 상온에서 반응한다. 이번 연구에서는 PEG 비율을 낮춘 양자점에 항체를 연결해 XPA를 선택적으로 형광 표지하는 데 사용됐다.