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이상화
이상화(Sanghwa Lee) 저자 이메일 보기
서울대학교
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DNA cleavage and opening reactions of human topoisomerase IIα are regulated via Mg2+-mediated dynamic bending of gate-DNA
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

제 전공은 단분자(single-molecule) 생물물리 분야입니다. 이 분야는 X-ray 결정학 분야처럼 같은 연구 방법에 의해 묶어진 갈래라고 보시면 되는데, 단백질 혹은 핵산과 같은 생물 분자의 모양이나 움직임 등을 한 개 수준에서 관찰하여 그 특성을 연구하는 분야를 일컫습니다. 이 연구 방법을 이용하면 분자 하나 하나의 동작 과정을 매우 자세히 알아낼 수 있고, 때문에 전통적인 방법으로는 알 수 없었던 많은 정보들을 얻어낼 수 있습니다.

크게는 높은 해상도로 분자들의 모양을 관찰하는 전자 현미경도 여기에 포함할 수 있겠지만, 보통은 실시간에서 분자 하나의 동적 특성을 관찰할 수 있는 단분자 형광 분광학(single-molecule fluorescence spectroscopy)이나 광학 혹은 자기 집게(optical tweezers, magnetic tweezers)들이 이 분야의 대표적인 연구 방법입니다. 이 기술은 약 20년 전 본격적으로 적용되기 시작하여, 현재 매우 광범위한 연구 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 초기에는 여러 가지 연구 주제들에 단분자 방법들을 적용하는 형태로 연구가 진행 되었다면, 이제는 각 세부 주제에서 매우 깊이 있는 연구를 이어 나가고 있습니다. Kinesin, RNA polymerase, helicase와 같은 운동 단백질에 대한 연구들이 대표적입니다.

단일분자 생물물리 분야는 기술적인 측면에서도 매우 활발히 연구가 진행되고 있습니다. 이를 통해 현재 나노미터 이하의 길이 변화도 관찰할 수 있는 광학 집게가 만들어졌고, 회절 한계를 넘어선 수십 나노미터 분해능의 초고해상도 현미경(super-resolution microscopy)도 만들어졌습니다. 이런 획기적 기술의 등장은 앞으로도 최신 생명 과학 연구에서 단분자 생물물리 분야의 큰 활약을 기대하게 합니다.

그 중에서도 한국인 과학자들의 활약은 특히나 더 크게 기대됩니다. 이 분야의 대표적인 학회에 참석할 때면 한해 한해 달라지는 한국인 과학자들의 위상을 확인할 수 있습니다. 단분자 FRET을 처음으로 개발하여 활발한 연구를 하고 계신 일리노이 대학의 하택집 교수님을 비롯해 정말 많은 한국인 과학자들이 이 분야 연구의 중심에서 멋지게 활약하고 계십니다. 같은 분야에서 연구하고 있다는 것만으로도 그냥 뿌듯해질 정도로 말이죠.

이번 논문은 type II topoisomerase의 이중나선 DNA의 절단 반응에서의 작동 메커니즘을 단분자 FRET을 이용해 연구한 내용을 담고 있습니다. 분자생물학 교과서에도 상당히 자세하게 소개되고 있는 type II topoisomerase는 세포 내 대사과정 중에 발생하는 이중나선 DNA의 위상 문제를 해결하는 매우 중요한 효소입니다. 항암제나 항생제의 대표적인 표적이기도 한 이 효소는 1976년에 처음 발견되어 많은 연구가 이루어져 왔습니다. 때문에 그 구조나 생화학적 특성은 다른 효소들에 비해 매우 잘 알려져 있습니다. 하지만 이 효소의 복잡한 움직임을 자세히 관찰하지 않고서는 작동 메커니즘을 정확히 이해할 수는 없었습니다. 때문에 최근 들어 이 효소에 관한 단분자 생물물리 연구가 이루어지기 시작했습니다. 본 연구에서는 전체 작동 과정 중에서도 이중나선 DNA의 절단 과정에 초점을 맞추고 있습니다. 유전자 물질의 절단은 매우 위험한 과정이기 때문에 필요한 순간에 잘 조절되어야 하는데, 이것이 어떤 메커니즘으로 조절되는지는 잘 알려져 있지 않았습니다. 이 논문에서는 DNA의 절단 반응이 비 특이적인 결합, 염기서열 특이적 DNA 구부러짐 그리고 DNA 절단의 순서로 일어나는 것을 처음으로 관찰해냈고, 이를 통해 위상문제를 해결하기 위한 DNA 절단 과정이 Mg2+ 이온에 의해 유도되는 DNA의 구부러짐에 의해서 필요한 순간에 조절된다는 것을 밝혀냈습니다.




2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

제가 소속된 서울대학교 물리유전학 창의 연구단은 서울대학교 물리천문학부와 생물물리 및 화학생물학과에 소속되어 있습니다. 때문에 다양한 배경을 지닌 학생과 연구원들로 이루어져 있습니다. 올해로 6년째에 접어든 연구실은 현재 post-doc 1명, 박사과정 7명, 석사과정 3명, 연구원 1명이 다양한 분야의 연구를 활발히 수행하고 있습니다.

본 연구실의 가장 큰 장점은 매우 다양한 기술을 보유하고 있다는 점입니다. 대표적인 단분자 생물물리 기술인 단분자 FRET을 비롯해 광학, 자기 집게와 초고해상도 형광 현미경 등을 모두 보유하고 있으며 독자적인 기술인 multi-color 단분자 FRET, 단분자 FRET과 집게 기술이 결합된 기술 등도 개발해 사용하고 있습니다. 때문에 다른 연구 그룹들이 쉽게 할 수 없는 창의적인 연구들을 많이 수행해내고 있습니다. 본 연구단이 보유하고 있는 풍부하고 독자적인 기술들은 단분자 생물분야에서 세계 최고 수준이라 자부할 수 있습니다. 이를 바탕으로 현재 국내 생물학 연구진을 비롯해 미국, 유럽, 일본 연구진과도 다양한 협력 연구를 하고 있습니다. 더 궁금한 점은 저희 랩 홈페이지인 http://smb.snu.ac.kr에서 확인하실 수 있습니다.

현재 국내에는 저희 연구단 외에도 6~7개의 단분자 생물물리 연구그룹이 각자의 독자적인 분야에서 활발히 연구를 수행하고 있습니다. 모두들 열정적인 생물학도들과의 만남과 그들의 도전을 기다리고 있을 것 같습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

많은 선배 연구자들께서 반복해 얘기하셨던 것 같습니다. 제게도 연구과정을 뒤돌아 보며 처음 떠올리게 되는 단어는 역시 ‘인내’ 였습니다. 실험은 매 순간 직면하게 되는 여러 가지 문제 앞에서 많은 실패들을 할 수 밖에 없는 부단한 과정이었습니다. 그리고 실험이 마무리 된 이후에도 또 그 만큼의 인내 속에서 투고와 실패를 반복해야만 했습니다. 그래도 지나오니 그 끝은 참 단 것 같습니다. 부단한 그 과정 속에서 잘 다듬어진 그 이야기가 많은 사람들에게 알려지는 순간이 있습니다. 정말 놀라운 경험입니다.
찰나, 다시 인내의 시간이 시작되지만요.

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

저는 아직 후배들에게 조언을 하기에는 한참 모자란 과학도입니다. 조언보다는 저의 경험을 나누려는 것으로 생각해주세요. 제 생각은 이렇습니다. 연구에 있어서 뛰어난 재능은 조금은 더 나은 결과를 만들어낼지도 모르겠습니다. 하지만 그것보다 훨씬 더 중요한 것은 연구를 하고자 하는 진정한 마음과 열정이 아닐까 생각해봅니다. 그것이라면 어느 분야든 한 번 시작해봐도 되지 않을까요? 그러면 중간에 다른 길로 돌아가는 일이 생기더라도 후회는 없을 것 같습니다. 그 진정한 마음과 열정을 쉼 없이 다듬고 유지하시며 좋은 연구 하시길 바라겠습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재 학위 논문 심사를 앞두고 있습니다. 그 고비를 넘기게 된다면 다음과 같은 계획을 시도해 볼 수 있을 것 같습니다.
지금까지 많은 단분자 생물물리 연구는 세포 밖에서 이루어져 왔고 저 역시도 세포 밖 연구만을 수행해 왔습니다. 하지만 최근 들어 훨씬 더 복잡한 세포 내 환경 속에서의 단분자 수준의 연구가 시도되고 있습니다. 저는 이 중에서도 특별히 세포 분화 과정에서 발생하는 생명 현상들을 세포 내 단분자 수준에서 연구 하는데 큰 관심을 가지고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

참 혼자할 수 없는 것이 연구입니다. 연구실 생활이 그렇고 협력 연구가 그렇습니다. 함께 잘 공유하고 의논하고 소통하는 것이 연구에 매우 중요한 부분이라 다시 생각하게 됩니다. 오랜 시간 함께 해준 옛 동료들과 현재 연구실 멤버들.. 정말 감사합니다. 함께 해서 정말 큰 힘이 되었습니다. 그리고 지금의 결과가 있도록 인내로 지켜봐 주시며 이끌어주신 지도교수인 홍성철 교수님과 협력 연구에서 전폭적으로 지지해주신 Professor Neil Osheroff께도 깊이 감사 드립니다. 마지막으로 오랜 기간 아무 말없이 지켜봐 주고 지지해주시는 부모님, 가족들 정말 감사합니다.

 등록일 2012-02-17
Category: Biophysics
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