[박상기 교수 연구팀, 형광 단백질 센서로 세포 내 칼슘 측정 성공]

미토콘드리아와 소포체 사이의 막(이하 MAM^*1)을 오가는 칼슘 이온은 암과 퇴행성 뇌 질환 등을 진단하는 지표로 사용될 수 있다. 영화 <어벤져스>에서 여러 영웅이 모여 난관을 헤쳐 나간 것처럼 MAM 내부의 칼슘 이온 농도를 측정하기 위해 두 단백질이 결합한 형광 어벤져스가 바로 여기 있다.

생명과학과 · 융합대학원 박상기 교수, 생명과학과 우영식 교수 · 조은별 씨 연구팀은 두 단백질이 결합했을 때 형광(빛)을 내는 센서를 이용해 MAM 내 칼슘 이온의 농도를 측정하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

최근, MAM을 통한 칼슘 이온의 이동이 다양한 체내 메커니즘에 관여한다는 사실이 밝혀지면서 그 중요성이 강조되고 있다. 그러나 현재 기술로는 MAM 내부의 칼슘 이온의 농도를 직접 측정하는 데 어려움이 많다.

연구팀은 이번 연구에서 ‘이분자 형광 상보 기법(Biomolecular Fluorescence Complementation)’을 도입했다. 이 기법은 두 형광 단백질이 분리되어 있을 때는 형광을 내지 않다가 결합할 때 빛을 내게 하는 기법이다. 연구팀은 BRET^*2현상을 통해 체내 칼슘 이온의 농도를 측정하는 센서(CalfluxVTN)에 이 기법을 적용하여 MAM에서만 형광을 내는 센서(MAM-Calflux)를 개발했다.

그 결과, MAM 내부 칼슘 이온 농도를 실시간으로 측정할 수 있었으며, 다양한 조건에서 칼슘 이온 농도의 변화를 확인할 수 있었다. 또, 이미지 분석 조건을 바꿔 칼슘 이온과 관계없이 기본적인 MAM의 구조도 센서를 통해 확인할 수 있었다.

연구팀은 이를 활용해 뉴런의 돌기형 구조가 갈라지는 지점에 MAM이 많이 분포하며, 칼슘의 농도가 높게 유지되는 것을 확인했다. 이는 뉴런 발생 과정에서 MAM 내부의 칼슘 이온이 중요한 역할을 하고 있음을 보여주는 결과다. 또한, 알츠하이머병과 파킨슨병을 앓고 있는 쥐의 신경세포에서 MAM 구조와 칼슘 이온 농도가 정상 쥐와 차이가 있다는 것을 발견했다. 연구팀이 개발한 센서가 질병의 발생 원인을 분석하고, 진단하는 데 활용될 수 있는 것이다.

연구를 이끈 박상기 교수는 “그동안 기술적인 한계로 인해 간접적인 방법으로 MAM 내 칼슘 농도를 추측했었다”며, “연구팀이 개발한 센서를 이용해 칼슘 농도를 직접 측정해 다양한 연구에 기여할 수 있을 것”이라는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 신약분야원천기술개발사업, 선도연구센터지원사업, 뇌연구원기관고유사업, 혁신성장 선도 고급연구인재 성장지원 사업과 삼성미래기술육성사업의 지원으로 진행됐다.

1. MAM(Mitochondria-associated ER membrane)
미토콘드리아(Mitochondria)와 소포체(Endoplasmic Reticulum, ER)가 접촉할 때 둘 사이에 형성되는 막이다.

2. BRET(Bioluminescence Resonance Energy Transfer)
발광 단백질의 에너지가 수용체 단백질로 전달될 때 발광 단백질의 에너지 상태가 변하는데, 이를 측정하여 수용체 단백질의 활동을 추적하거나 분석하는 방법이다.