한밭대-서울시립대, 세포 노화 분석 기술 개발

한밭대학교는 최근 기계공학과 송지환 교수 연구팀(김윤 석사과정생)이 서울시립대 연구팀과 금속 나노입자를 이용해 세포 노화 분석이 가능한 세포핵 이미징 방법을 개발했다고 15일 밝혔다.

이는 플라스몬 금속 나노입자의 3차원 배치에 따라 고유의 산란 색 및 산란 파장이 달라지는 광학적 현상을 이용해 표적하는 히스톤 수식화의 공간적 분포를 분석하는 새로운 방법이다.

히스톤은 뉴클레오솜의 중심 단백질이다. DNA 사슬이 감기는 실패 역할을 수행해 유전자의 발현 조절에 중요한 역할을 한다.

뉴클레오솜은 진핵생물 세포에서 히스톤 중심부를 감고 있는 DNA 사슬로 구성된 염색질의 구조 단위다.

히스톤의 다양한 수식화 조합인 히스톤 코드는 △전사 △복구 △복제 등과 같은 염색질의 거의 모든 활동에 관여하는 판독 단백질에 의해 인식되며, 염색질의 구조 및 3차원 위치와 밀접한 관계가 있다.

따라서 히스톤 코드 및 염색질 구조에 일어나는 변화는 암 또는 노화 등 질병 특이적 세포 변화와 관련돼 있으며, 세포 수준에서의 히스톤 수식화의 공간적 분포를 시각화하고 분석하는 기술의 발전이 필요하다.

한밭대 기계공학과 연구팀은 이번 연구에서 컴퓨터 시뮬레이션에 기반한 이론적인 분석을 진행했다.

이를 통해 이미징 프로브로 사용된 금속 나노입자의 △다양한 3차원적 배열 △거리 △개수에 따른 산란 파장의 변화를 계산했다.

아울러 실제 세포가 노화 과정에서 보여주는 핵 내의 히스톤 수식화의 위상 변화와 그에 따른 광학특성 변화와 비교를 통해 세포 내 표적 위치 간 거리와 분포를 예측했다.
서울시립대 생명과학과 공동연구팀(최인희 교수, 박현성 교수, 안현지 석사, 장수정 박사)은 종양 유전자 유발 노화 과정에 의해 급격한 공간적 재배치가 일어나는 히스톤 수식화인 'H3K9me3'와 'H3K27me3'를 플라스몬 금속 나노입자로 표적했을 때, 나노입자 간 거리가 가까울 경우 나타나는 특유의 커플링 현상을 지목했다.

이 현상에 의해 노화 과정이 진행되고, 산란 색과 산란 파장의 형태가 역동적으로 변화한다는 것을 확인했다.

플라스몬 커플링이란 두 개 이상의 플라스몬 금속 나노입자 사이의 거리가 특정 범위 이하로 가까워졌을 때, 각 나노입자의 공명이 혼성화되며 광학 신호가 변화하는 현상이다.

이를 이용하면 기존의 세포 이미징에 사용된 유기형광 분자보다 더 높은 해상도로 세포 내 표적 위치의 거리와 공간 분포에 대한 정보를 획득할 수 있게 된다.

연구팀은 상기 원리를 세포핵 내 히스톤 수식화의 3차원적 분포 예측에 처음으로 적용했다.

또한 금과 은 나노입자를 조합해 산란 파장 변화를 극대화하면 히스톤 수식화의 분포를 더 효과적으로 분석할 수 있다는 것을 입증했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 △기초연구실과제 △신진연구과제 △기본연구과제 △중견연구과제와 삼성미래기술육성사업 지원으로 진행됐으며, 세계적인 과학 저널인 'Nature Communications'지 온라인 판에 10월 8일 자로 게재됐다.