연구성과

물리 송창용 교수팀, 2m 길이 DNA가 100만분의 1 크기로 줄어드는 비밀 밝힌다

2021-11-16 29

[송창용 교수팀, 방사광가속기 이용해 인간 염색체의 고해상도 입체 구조 관측]

실이나 이어폰 줄을 좁은 공간에 아무렇게나 두면 쉽게 꼬여버린다. 이와 달리 우리 몸의 DNA는 실처럼 길게 풀어져 있다가도 세포가 분열할 때 100만분의 1 크기인 막대 모양 염색체로 뭉치는 과정을 반복한다. 길이가 2미터(m)에 달하는 DNA에 그대로 세포 분열이 일어나면 유전 정보가 손상되거나 상실될 위험이 있기 때문에, 유전 정보를 정확하게 전달하기 위해선 염색체의 응축이 필수적이다.

물리학과 송창용 교수‧성대호 박사, 전재형 교수‧통합과정 임찬 씨, 광주과학기술원(GIST) 노도영 교수 연구팀은 3세대 방사광가속기의 엑스선을 이용해 뭉쳐 있는 상태의 인간 염색체를 나노미터(nm) 수준의 분해능으로 관측한 연구 결과를 미국국립과학원회보(PNAS)에 발표했다.

엉키지 않고 100만 분의 1 크기로 뭉쳐지는 염색체의 응축 과정과 이를 가능케 하는 염색체의 입체 구조는 지난 반세기 이상 많은 연구자의 관심을 지속적으로 불러 모았으나 염색체가 뭉쳐 있는 모습 그대로를 확인하기는 어려웠다. 염색체의 일부 성분만을 검출하거나 길게 풀려있는 상태를 보고 뭉친 상태를 추정해야 했던 것이다.


이번 연구는 염색체를 급속 냉동 후 극저온 상태를 유지한 뒤 첨단 방사광가속기에서 발생한 결맞는 엑스선을 활용해 염색체의 3차원 입체 구조를 선명하게 확인했다. 염색체를 얇게 자르거나 염색하는 기존의 기술적 방법과 달리 원형 상태의 염색체의 구조를 밝혀낸 연구 성과다.

이를 통해 연구팀은 염색체가 기존 연구로 알려져 있던 계층적 구조가 아닌 프랙탈 구조*1로 형성됐음을 확인했다. 이와 함께 염색체의 응축 과정을 보여주는 물리적 모형을 제시하기도 했다.

송창용 교수는 “첨단 방사광가속기의 결맞는 엑스선을 이용해 오래된 난제였던 염색체의 3차원 구조를 나노미터(nm) 수준의 고해상도 이미지로 밝혀냈다”며 “생명체의 중요한 특성인 유전 현상을 이해하는 실마리를 제공함과 동시에 연구에서 개발된 기법은 바이러스 입자 등 그 상세구조가 중요한 다양한 물질의 입체구조를 밝히는 데 활용될 예정”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(SRC), 국제공동연구사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 PNAS에 16일자로 게재된다.


1. 프랙탈 구조
일부의 작은 조각이 전체와 비슷한 모양을 띤 구조