알츠하이머 유발하는 단백질 움직임, 실시간으로 관찰한다

육종민 KAIST 교수 연구진
그래핀을 막으로 이용해 단백질 변형 최소화
퇴행성 질환 발병 과정 찾고 신약 개발에도 활용

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 개발한 '그래핀 액상 셀 전자현미경'의 작동 원리. 연구진은 이 기술을 활용해 알츠하이머병을 유발하는 단백질인 아밀로이드 베타의 움직임을 실시간으로 관측하는 데 성공했다./한국과학기술원

국내 연구진이 치매를 유발하는 알츠하이머병의 발병 과정을 실시간으로 관측하는 데 성공했다. 뇌 신경세포를 파괴하는 아밀로이드 베타 단백질의 초기 불안정한 움직임을 통해 발병 과정을 찾고 신약 개발에도 활용할 수 있다는 기대가 나온다.

육종민 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수가 이끄는 연구진은 30일 알츠하이머병을 유발하는 단백질인 아밀로이드 베타를 실시간으로 관측하는 ‘그래핀 액상 셀 전자현미경’을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구에는 한국기초과학지원연구원(KBSI) 포항산업과학연구원, 성균관대 연구진이 공동으로 참여했다.

알츠하이머병은 아밀로이드 베타 단백질이 변형돼 뇌 속에 쌓이면서 신경세포가 서서히 죽어가는 퇴행성 신경질환이다. 치매를 유발하는 가장 흔한 원인으로 꼽힌다. 전체 치매 환자의 절반 가량이 알츠하이머병에 의해 증상을 보이는 것으로 알려졌다.

연구진은 알츠하이머병이 발생하는 과정을 실시간으로 관측하기 위해 단분자 관찰 기술을 개발했다. 단분자 관찰 기술은 하나의 분자에서 일어나는 현상을 관찰하는 기술이다. 단백질이 조립되거나 접히는 과정은 물론 여러 단백질이 상호작용하는 과정을 이해하기 위해서 반드시 필요한 기술 중 하나다. 현재까지는 형광 현미경을 이용하거나 단백질을 급속 냉동해 분자 구조를 해석하는 초저온 전자현미경을 활용하고 있다.

단백질을 변형하지 않고 관찰하는 ‘액상 전자현미경’ 기술도 최근 주목받고 있다. 얇은 막을 이용해 액체를 감싸고 내부의 물질 변화를 전자현미경으로 관찰하는 방식이다. 다만 막의 두께에 의한 성능 저하와 전자빔에 의해 단백질 구조가 바뀌는 문제는 해결하지 못하고 있다.

연구진은 그래핀을 이용해 액상 전자현미경의 단점을 해결했다. ‘그래핀 액상 셀 전자현미경’이라고 불리는 이 기술은 단백질의 구조 변화 없이도 실시간으로 움직임을 관찰할 수 있다.

연구진은 그래핀을 막으로 이용해 액체를 감싼 후 내부의 단백질을 관측했다. 그래핀의 두께는 원자 단위에 불과해 성능 저하가 없으며 전자빔에 의한 단백질의 산화도 막을 수 있다. 기존 기술보다 단백질 변성을 40배 가량 억제해 실제 단백질의 움직임을 볼 수 있다는 장점이 있다.

이렇게 개발한 전자현미경 기술로 알츠하이머병의 발생 과정도 관측했다. 아밀로이드 베타의 초기 성장 과정에서 나타나는 불안정성을 확인하는 데 성공한 것이다. 이 과정을 실시간으로 관측한 것은 처음이다.

연구진은 이번에 개발한 기술을 이용해 알츠하이머병뿐 아니라 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)과 같은 바이러스성 단백질의 감염 과정도 관측할 수 있을 것으로 기대한다. 단백질 상호작용을 관측해 질병의 발병 원리를 정확히 찾는 것은 물론 신약 개발에도 활용할 수 있다는 전망이다.

육 교수는 “분자 단위의 현상을 관찰할 수 있다면 단백질들의 상호작용을 이해하고 조절할 수 있는 실마리를 찾을 수 있다”며 “알츠하이머와 같은 퇴행성 질환의 신약 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다ˮ고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 지난해 11월 소개됐다.

참고자료

Advaced Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202309936

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -