"알츠하이머, 파킨슨병" 퇴행성질환 발병과정 찾는다

그래핀 이용 단분자 관찰로 '세계 최초' 단백질 거동 실시간 관찰

국내 연구진이 퇴행성질환 유발 물질을 세계 최초로 분자수준에서 실시간 관찰하는 데 성공했다.

이에 따라 알츠하이머나 파킨슨병 등 퇴행성질환의 발병 과정을 찾을 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

KAIST는 신소재공학과 육종민 교수팀이 알츠하이머 질병을 유발한다고 알려진 아밀로이드 섬유 단백질의 실시간 거동을 관찰할 수 있는 새로운 단분자 관찰 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

단분자 그래핀 액상 셀 전자현미경 모식도 및 성능, 그래핀으로 인한 전자빔에 의한 단백질 손상 억제 효과와 실제 액상 내 아밀로이드 베타 섬유를 관찰한 모습. KAIST

단분자 관찰은 단일분자 수준에서 발생하는 현상을 관찰하는 것으로, 생체 과정에 수반되는 단백질 간 상호작용과 접힘, 조립 등을 이해하는 핵심 기술이다. 

현재 단분자 관찰 기술은 특정 분자를 식별하기 위한 형광 현미경을 이용하거나, 단백질을 급속 냉동시켜 움직임을 고정하는 초저온 전자현미경 기법을 사용하고 있어, 자연 그대로의 단백질을 실시간 관찰할 수 없었다.

때문에 과학계는 대안으로 얼리지 않고 상온에서 관찰하는 액상 전자현미경 기술을 연구했지만, 두꺼운 투과막에 의한 분해능 저하와 전자빔에 의한 단백질 변성이 문제로 남았다.

이에 육 교수팀은 차세대 소재로 주목받고 있는 그래핀을 이용, 분해능 저하와 변성 문제를 해결하며 단백질 거동을 실시간 관찰할 수 있는 ‘단분자 그래핀 액상 셀 전자현미경 기술’을 개발했다.

연구팀이 투과막으로 이용한 그래핀은 원자단위 두께를 가져 분자수준의 관찰이 가능하고, 전자빔에 의한 단백질 산화를 방지하는 역할도 해 기존 대비 40배가량 변성을 억제했다.

이를 통해 연구팀은 알츠하이머 질병을 유발한다고 알려진 아밀로이드 베타 섬유의 초기 성장 과정에서 발현되는 분자 불안정성을 세계 최초로 관찰했다. 

아밀로이드 섬유의 불안정성을 보여주는 시간에 따른 변화, 아밀로이드 단백질은 지퍼와 같은 분자들의 맞물림 구조에 따라 다양한 형태가 나타나는 다형성을 가지며, 연구팀은 완전한 지퍼구조가 형성되지 않은 초기 상태에서는 불안정한 다형성 변화가 발생함을 증명했다. KAIST

초기 아밀로이드 섬유 내에서 발생하는 불안정성의 분자단위 실시간 이미지, 형태적 불안정성을 일으키는 원인이 단백질 간 결합 사이의 물 분자로 인해 나타나는 모습. KAIST

이 기술은 온전한 단백질의 다양한 거동을 분자 수준에서 관찰할 수 있어 코로나19 같은 바이러스성 단백질의 감염 과정, 퇴행성 질환을 일으키는 아밀로이드성 단백질의 섬유화 및 응집 거동 등 단백질 상호작용에 의한 생명 현상을 이해하는 데 활용할 수 있다.

육 교수는 "현미경으로 분자단위 현상을 관찰할 수 있다면 단백질의 상호작용을 이해하고 조절할 수 있는 실마리를 제공할 수 있다“며 ”이를 통해 알츠하이머 같은 퇴행성 질환의 신약 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다ˮ 고 말했다.

한편 이번 연구는 한국기초과학지원연구원, 포항산업과학연구원, 성균관대 등과 공동으로 진행됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com