KAIST, 나노입자 이용한 단백질 상호작용 분석기술 개발
금 나노입자와 반도체 양자점을 이용한 inhibition assay(저해물질 분석) 도면
또한 金 교수팀은 수용액에서 안정성이 좋고 단백질 결합이 용이한 표면을 지닌 금 나노입자 제조기술도 함께 개발했다.
10나노미터 이하의 금속나노입자를 이용, 표적물질의 스크리닝, 세포 이미징, 단백질 상호작용 분석 등에 활용하는 기술이 최근 생명공학 분야에서 주목받고 있다. 특히 단백질 상호작용을 고감도, 초고속으로 분석하는 기술은 각종 질병의 진단, 의약품의 개발, 생명현상의 규명 등에 매우 중요하기 때문에 수많은 연구개발이 진행되고 있다.
기존의 연구개발은 주로 단일나노입자를 만들어 여기에 단백질 등의 바이오물질을 붙이는 기술에 집중되어 왔지만, 金 교수팀은 FRET 방식을 이용, 서로 다른 나노입자의 물리적 특성변화를 이용해 단백질 상호작용에 대한 분석이 가능하게 만들었다. 이 기술은 앞으로 질병진단, 의약품 개발, 세포내 단백질 상호작용 규명 등에 활용될 수 있는 기반 기술로, 국내외에 특허출원하였고 관련연구는 미국 화학회지(JACS) 인터넷판에 최근(2.19) 발표되었다.
* 보충설명
나노입자 nano particle
금속이나 고분자 등을 이용하여 만든 수 나노미터(nm)에서 수십나노미터에 해당하는 나노 사이즈의 입자
나노 입자를 이용한 단백질 상호작용 분석 기술 개발
나노 입자를 제조하고 이를 바이오 분야에 응용하는 기술들이 최근 십여년간 주목 받고 있다. 그 이유는 나노입자는 특유의 물리적 광학적 특성을 나타내므로, 다른 유기형광물질처럼 나노입자를 바이오물질을 라벨링하는 tag로 사용하거나 나노입자에 바이오물질을 부착시켜 세포나 기관에 원하는 바이오물질을 옮기도록 하는 기술에 용이하게 사용될 수 있기 때문이다.
기존의 기술들은 주로 나노 입자를 만들어 여기에 단백질 등의 바이오 물질을 붙이는 기술에 집중되어 왔으며, 주로 단일 입자를 사용해왔다.
그러나 본 연구실에서는 서로 다른 두 가지 나노 입자 사이에서 일어날 수 있는 물리적 특성 변화를 이용하여, 서로 다른 단백질의 상호작용을 분석하는 기술을 개발하였다. 물리적 특성 변화 중, FRET(형광 공명 에너지 전이)을 이용하였는데, FRET이란, 서로 다른 색상의 형광을 내는 두 가지 물질이 10nm 이내로 가까워지면 두 물질사이에 에너지 전달이 생겨, 각자의 형광 스펙트럼이 달라지는 현상이다. 즉, 두 물질이 10nm 이내로 가까워졌는지 멀어졌는지를 형광스펙트럼의 변화로 알 수 있는 것이다. FRET은 형광단백질, 유기형광다이, 양자점과 금 사이에서 이미 발견된 물리적 현상이다.
금속 나노 입자 사이의 FRET은 그 원리와 존재 여부는 알려져 있었으나, 금 나노입자와 반도체 양자점 사이에서 일어나는 FRET을 이용하여 단백질의 상호작용을 분석하는 시스템을 성공적으로 구현한 것은 본 연구실의 결과가 처음이다.
즉, 금 나노입자에는 A라는 단백질을 결합시키고 반도체 양자점에는 B라는 입자를 결합시킨후, A와 B사이의 결합력에 의해 두 나노 입자가 가까이 달라붙게 되면 반도체 양자점에서 나오는 고유한 형광이 금 나노입자에 의해 사라지게 되는 현상을 측정할 수 있다. 그러나 A에 달라붙는 특성이 있는 또 다른 C라는 물질을 도입하게 되면, C가 A에 결합하여 금 나노입자를 완전히 둘러싸게 되고, 결과적으로 A와 B의 결합을 C가 방해하게 되므로, 금 나노입자는 더 이상 반도체 양자점(B)에 가까이 결합될 수 없게 된다. 이렇게 되면 두 입자 사이에 일어났던 FRET이 발생하지 않게 되고, 반도체 양자점은 자신의 고유한 빛을 내게 된다. 이를 이용하여 C가 샘플 속에 얼마나 존재하는지를 분석할 수 있고, A와의 상호작용 여부도 판단 할 수 있다.
이렇게 본 기술은, 단백질 상호 작용(본 설명에서는 A와 B의 결합)을 저해하는 물질 (본 설명에서는 C)에 대한 분석(inhibition assay)를 서로 다른 나노입자의 물리적 특성 변화(예를 들면 FRET)를 이용해 구현한 것이다. 이 기술은 신약 개발 등에서 저해물질을 초고속, 고감도로 스크리닝하는 데 활용될 수 있다.
다양한 특성의 금 나노입자의 제조 기술 확보
원하는 단백질을 나노입자에 결합시키기 위해서는, 나노입자의 표면을 단백질 결합이 용이하도록 다양한 물질을 도입하여 표면을 원하는 기능기로 둘러싸게 하여야 한다. 또한, 이러한 물질의 도입에 있어서, 나노입자가 사용되는 용매에서 용해도가 높고 안정하게 만드는 것이 원하는 기능기를 포함하게 하는 것만큼 중요하다. 또한, 이렇게 단백질이 결합된 나노입자를 실제 표적 물질의 분석에 활용함에 있어서, 원하지 않는 다른 물질에 나노입자가 비특이적으로 결합하는 것을 최소화하는 것이 매우 중요한 부분이다.
본 연구실에서는 위의 조건을 만족하는 나노 입자를 제조하고 이를 이용할 수 있도록 새로운 기술을 개발하였고, 이는 소량의 저해물질 분석을 구현함으로써 그 활용성을 증명하였다. 먼저, 여러 금속중 금을 리간드로 안정화시키고 균일한 크기로 제조한 후, 다시 고분자 물질로 쌓는 방법을 통해 수용액에서 안정하고 단백질 결합이 용이한 표면을 갖는 크기의 금 나노 입자를 만들었다.
금 나노입자는 제조 조건에 따라 다른 크기와 다른 색상을 띠며, 1nm 이하의 작은 크기에서는 UV의 형광을 나타내는 금 나노 입자도 제조할 수 있다.
웹사이트: http://www.kaist.ac.kr
연락처
KAIST 생명과학과 김학성 교수 042-869-2616
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2019년 10월 24일 09:00
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