성균관대 엄길호 교수, 권태윤 연구교수, 울산과학기술원 이창영 교수 공동연구팀은 아밀로이드 섬유의 분자구조를 정확하게 제어할 수 있는 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구사업(중견연구자 및 일반연구자)을 통해 수행하였으며, 연구 결과는 공학 분야의 권위 있는 학술지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 11월 23일자 온라인판에 게재되었다.

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

  

아밀로이드는 단백질이나 펩타이드 사슬이 비정상적으로 뭉쳐 생긴 섬유로 알츠하이머병, 파킨슨병 등 퇴행성 뇌신경계 질환의 원인으로 알려져 있다. 특히 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성은 세포 독성^* 등의 생물학적 기능에 중요한 역할을 하고 있지만 아직까지 그 구조 및 형성 메커니즘이 불분명하다.

     

   

최근 활발히 진행되고 있는 생체친화 생체소재^* 개발에는 단백질 섬유의 분자구조 제어 기술이 필수적이나 아직 개발에 어려움을 겪고 있다. 

    

 

본 연구는 주파수가 높은 전자파인 마이크로파(microwave)를 펄스^* 형태로 만들어 아밀로이드 섬유에 쪼이면 펄스의 조건에 따라 아밀로이드 단백질 섬유의 길이 및 나선형  구조(helical structure)가 달라짐을 확인하였다.

      

* 펄스(pulse) : 아주 짧은 시간 동안 큰 진폭을 내는 어떠한 양이 일정한 주기로 되풀이 되는 것  

   

연구진은 그 원인이 아밀로이드 섬유의 정전기적 특성에 있다는 것 또한 밝혀냈다. 마이크로 펄스가 전달한 열에너지가 아밀로이드 섬유 표면 전하^* 의 특성을 변화시켜 다양한 모양으로 자라게 만든다는 것이다. 특히 열에너지는 아밀로이드 섬유의 두께 변화와 크게 연관이 있었다.^**

     

 연구 결과는 아밀로이드 섬유의 분자구조의 다양성이 열에너지 상태에 의해 결정된다는 것을 보여준다. 이는 퇴행성 뇌신경계 질환 및 당뇨병 등의 발병 원인이 되는 아밀로이드 섬유의 형성 메커니즘을 간접적으로 제시한다.

  

또한 본 연구는 생체소재 섬유의 분자구조 제어에 대한 새로운 패러다임을 제시하여 단백질 기반 생체친화 생체소재 개발에 매우 중요한 설계 기법으로 활용될 수 있다.

공동연구를 진행한 권태윤 박사는 “본 연구에서 개발된 마이크로파 기반 합성 기술을 이용하면 획기적으로 짧은 시간 안에 다양한 합성 조건에 따라 단백질 섬유의 분자구조를 제어할 수 있어, 향후 단백질 기반 생체 섬유 소재 개발에 매우 중요한 설계 기법으로 활용될 것으로 기대된다.”라고 말했다. 

 

퇴행성 신경계질환으로 알려진 질병은 알츠하이머병, 파킨슨병, 광우병 등이 있으며, 이 질환의 대표적인 예는 사회적 문제로 대두되고 있는 치매(Demenita)이다. 치매는 정상적인 사람의 뇌기능이 손상되어 인지능력, 기억력, 언어능력 등이 저하되어 의식 장애로 일어나는 뇌질환이다. 최근 자료(국회 예산정책처)에 따르면 치매로 인한 사회적 비용은 2050년도에는 43조 2천억원에 이를 것으로 추정되고 있다. 이와 같이 사회적 문제로 대두되는 퇴행성 신경계질환은 체내에서 비정상적으로 단백질이 응집(aggregation) 되어 아밀로이드(amyloid) 단백질 올리고머(oligomer) 및 섬유(fibril)가 형성되어 발병되는 것으로 알려져 있다. 

아밀로이드 단백질의 구조적 특성에 따라 아밀로이드 단백질의 질병관련 생물학적 기능이 결정된다는 사실이 최근에 보고되고 있다. 예를 들면, 프리온 전염성(prion infectivity)은 아밀로이드 섬유의 한 종류인 프리온 단백질의 길이 및 프리온 단백질의 나선형 구조 형태에 따라 결정된다 (프리온 단백질은 아밀로이드 단백질의 한 종류). 이와 같이 아밀로이드 단백질의 다양한 분자구조 특성을 결정하는 메커니즘을 이해하는 것이 향후 아밀로이드 관련 질병 발병에 대한 근원적인 원인을 규명하는데 매우 중요하다. 하지만, 아직까지 아밀로이드 단백질의 다양한 분자구조를 결정짓는 메커니즘을 제시한 연구가 없다. 

또한, 최근에는 아밀로이드 단백질을 생체친화(biocompatible) 소재 및 기능성 소재(functional material) 개발에 활용하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어 무기물질 표면(inorganic surface)에 아밀로이드 섬유가 증착된 박막(thin film) 표면은 박테리아 성장에 유용하며, 아밀로이드 섬유는 호르몬 및 유전정보를 전달할 수 있는 매개체(agent) 및 생화학 반응 속도를 증진시키는 스캐폴드(scaffold)로 활용될 수 있다. 이와 같은 아밀로이드 기반 생체소재 개발에 있어서, 아밀로이드 섬유의 분자구조를 제어하는 것이 매우 중요하다. 특히, 아밀로이드 섬유 기반의 박막(thin film)의 재료 특성(예: 기계적 특성)은 아밀로이드 섬유의 분자구조에 의해 결정된다. 현재까지 아밀로이드 섬유 기반 생체소재 개발에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있지만, 아밀로이드 섬유의 분자구조를 제어할 수 있는 기법은 개발되지 않았다. 

 

최근에 마이크로파(microwave)를 이용한 화학적 합성(chemical synthesis) 기법이 단백질 등의 생체분자 및 화학물(chemical)을 합성하는데 필요한 시간을 단축시키며, 특히 화학반응을 향상시키는데 유용하여 각광을 받고 있다. 그러나 마이크로파 기반 합성기법은 아직까지 단백질 기반 섬유 등의 합성에 적용된 사례가 매우 제한적으로 보고되고 있으며, 마이크로파 기반 아밀로이드 단백질 섬유 합성에 대한 연구는 미비한 실정이다.  

 

아밀로이드 단백질 섬유가 형성될 때의 열에너지 상태를 조절하기 위해 마이크로파를 펄스(pulse)형태로 조절하여, 아밀로이드 단백질 섬유의 형성과정을 제어하고자 했다. 

전술한 바와 같이 아밀로이드 섬유의 생물학적 기능을 결정하는데  중요한 아밀로이드 섬유의 구조적 특성을 규명하는 것이 요구되고 있다. 특히, 세포독성(cytotoxicity) 등의 생물학적 기능에 아밀로이드 섬유의 분자구조가 매우 중요한 역할을 하고 있다고 보고되었다. 그러나 아밀로이드 섬유의 분자구조의 다양성의 원인 및 단백질 섬유의 분자구조 다양성 제어에 대한 연구가 없었다. 이번 연구에서 연구진은 마이크로파를 펄스형태로 조절하여 아밀로이드 섬유가 형성되는 메커니즘을 조절하여, 아밀로이드 섬유의 다양한 분자구조 형성 메커니즘을 제시하였다. 또한 이번 연구에서 마이크로파 펄스 조건에 따라 아밀로이드 섬유의 길이 및 분자구조를 제어하는데 성공하였다. 

구체적으로 마이크로파 펄스를 이용하여 형성된 아밀로이드 섬유의 분자구조를 원자힘 현미경(Atomic Force Microscopy: AFM)을 이용하여 관찰하였다. 특히 마이크로파 펄스 조건에 따라 아밀로이드 섬유의 나선형 구조(helical structure)의 형상이 달라지는 것을 AFM으로 확인하였다. 또한, 마이크로파 펄스 조건에 의해 형성된 아밀로이드 섬유의 두께도 달라지는 것을 확인하였다. 이는 마이크로파 펄스의 조건에 따라 아밀로이드 섬유가 성장(growth)할 때 길이방향 성장(longitudinal growth)과 반경방향 성장(radial growth) 속도가 조절되는 것을 암시한다. 다시 말해 마이크로파 펄스 조건에 따라 아밀로이드 섬유의 성장 메커니즘(growth mechanism)이 조절되는 것을 의미한다.  

연구진은 이와 같이 마이크로파 펄스에 의해 다양한 아밀로이드 섬유의 분자구조를 형성하는 원인이 마이크로파에 의해 전달된 열에너지에 따른 아밀로이드 섬유 성장과 관련된 아밀로이드 섬유의 정전기적 특성(electrostatic property)의 변화에 의한 것임을 규명했다.(원자힘 현미경 이미징 방법 중 Kelvin probe force microscopy (KPFM) 이미징 기법을 이용) 구체적으로 마이크로파 펄스에 따른 열에너지에 의한 아밀로이드 섬유의 표면 전하(surface potential) 특성이 변한다. 특히 마이크로파 펄스 조건에 따른 아밀로이드 섬유의 표면 전하의 변화는 아밀로이드 섬유의 두께 변화의 경향성과 연관 있다는 것을 밝혔다. 이는 아밀로이드 섬유의 반경방향 성장에 중요한 역할을 하는 아밀로이드 섬유의 표면전하는 마이크로파 펄스에 의해 조절될 수 있다는 것을 의미한다. 

이 연구에서 최초로 제안된 마이크로파 펄스를 이용한 아밀로이드 섬유 합성 및 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성 제어에 대한 개념은 질병관련 아밀로이드 섬유의 형성 메커니즘 규명 및 생체친화 생체소재 개발 등에 광범위하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 아밀로이드 기반 박막(thin film) 등의 소재 개발에 활용될 수 있는 아밀로이드 섬유의 설계 기법으로 활용될 수 있다. 

이 연구는 질병발병 관련 아밀로이드 단백질 형성과 관련된 의학, 약학, 생물학 분야뿐만 아니라 단백질 기반 소재 개발과 연관된 재료공학, 기계공학 등 다양한 공학 분야에 기여할 것으로 기대된다. 특히 단백질 기반 소재 개발 분야뿐만 아니라 무기물질(inorganic material) 기반 1차원 구조물 개발에 활용될 수 있는 화학, 화학공학, 재료공학 등 다양한 학문분야에 기여할 것으로 예상된다. 

이번 연구로 질병 발병과 관련된 아밀로이드 형성 메커니즘 및 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성에 연관된 메커니즘을 제시하여 향후 아밀로이드 관련 질병 치료에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다. 이번 연구를 계기로 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성을 결정짓는 인자(parameter)들을 규명하여 질병 발병과 관련된 아밀로이드 단백질의 구조 다양성에 대한 메커니즘을 파악하여 질병 치료에 활용될 것뿐만 아니라, 다양한 분자구조를 가질 수 있는 단백질 섬유 기반 생체소재 개발에 유용한 설계기법으로 기여할 것을 기대한다. 

2000년대 들어서부터 알츠하이머병, 파킨슨병 등의 뇌신경계 질환 및 당뇨병, 심장질환 등의 질병에 연관된 아밀로이드 단백질에 대한 연구가 지금까지 활발하게 진행되고 있다. 특히 질병 발병의 원인을 규명하기 위해서 많은 연구자들이 아밀로이드 단백질의 형성과정에 대한 메커니즘을 파악하고자 노력해왔다. 단백질의 분자구조 및 동적/기계적 특성 등을 연구한 엄 교수도 자연스럽게 질병 발병에 매우 중요한 아밀로이드 단백질에 관심을 가지고 2010년대부터 꾸준하게 연구를 수행하게 되었다. 최근에 아밀로이드 섬유의 분자구조가 질병 발병과 관련된 생물학적 기능에 매우 중요한 역할을 한다고 보고됨에 따라, 엄 교수는 아밀로이드 섬유의 분자구조의 특성 및 형성 메커니즘에 관심을 가지게 되었다. 또한 엄 교수는 실험적으로 단백질 섬유의 합성 연구를 수행한 권 박사와 1차원 탄소나노튜브 관련 연구를 수행한 이 교수와 공동으로 1차원 단백질 섬유인 아밀로이드 섬유의 형성 메커니즘을 공동으로 규명하고자 했다. 

2011년도에 미국 재료학회 (MRS: Material Research Society) 회의에 참여하고자 엄 교수와 권 박사가 보스턴에 머무르면서 많은 토론을 통해 아밀로이드 단백질 합성에 대한 연구를 논의하면서부터 본 연구가 시작되었다. 특히 아밀로이드 단백질 섬유 합성에 대한 연구는 많이 진행되었지만 대부분의 연구에서 아밀로이드 섬유의 분자구조에 대해서는 관심이 적었다. 최근에 들어서 아밀로이드 섬유의 분자구조가 생물학적 기능에 매우 중요한 역할을 하고 있다고 보고되고 있어도, 아직까지도 아밀로이드 섬유의 분자구조의 다양성의 원인을 규명하고자 하는 연구가 미비한 실정이다. 엄 교수와 권 박사는 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성의 원인을 파악하고자, 아밀로이드 단백질 합성 조건을 조절할 수 있는 방법을 찾기 시작했다. 동시에 권 박사가 MIT에서 연구원으로 있을 때 같이 연구를 수행했던 이 교수와 1차원 구조 합성에 대한 논의가 시작되었다. 따라서 엄 교수, 권 박사, 이 교수는 1차원 구조물인 아밀로이드 섬유의 형성 메커니즘에 대해 고민하기 시작하여, 최근부터 유기물(organic compound) 합성에 사용된 마이크로파 기반 합성 기법을 적용하여 아밀로이드 단백질의 형성 과정을 조절하고자 노력했다. 이러한 노력 끝에 마이크로파 펄스를 이용하여 아밀로이드 섬유의 분자구조를 제어하는데 성공했다.  

이번 연구에서 가장 어려웠던 점은 기존에 단백질 섬유의 분자구조를 제어한 연구가 없었다는 것이다. 특히 기존 연구가 거의 없었던 아밀로이드 섬유의 분자구조를 제어하고자 노력했을 때, 100% 확신을 가지고 연구를 수행할 수 없기에 실패를 각오하고 연구를 수행했다는 것이 어려운 점이다. 또한 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성에 관심을 가지는 연구자가 적어서, 선행연구가 부족할 뿐만 아니라 이번 연구를 수행하면서 논의할 수 있는 연구자들은 본 연구팀 이외에 없었다는 것 또한 어려웠던 점이다. 그럼에도 불구하고 본 연구팀의 연구자들끼리 머리를 싸매고 고민하고, 같이 토의하고 노력하여 본 연구 결과를 얻어서 권위 있는 Nature Publishing Group (NPG)에서 출판하는 Scientific Reports에 출판될 수 있었다.

기존의 연구에서 아밀로이드 섬유의 형성과 관련된 내용과는 다르게, 이번 성과는 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성의 원인이 되는 메커니즘을 처음으로 제시했다는 것이다. 특히 마이크로파 펄스를 이용한 열에너지 제어를 통해 아밀로이드 섬유의 분자구조를 제어할 수 있다고 보고한 세계 최초의 연구 결과이다. 이 연구에서 제시된 기법은 향후 생체친화 생체소재(예: 단백질 섬유) 개발에 매우 중요한 설계기법으로, 생체 섬유의 다양한 분자구조를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다.

질병 발병에 관련된 아밀로이드 섬유가 형성될 때, 다양한 분자구조 특성을 가진 섬유로 형성된다는 것은 아직까지 풀리지 않은 수수께끼이다. 최근에 아밀로이드 섬유의 분자구조의 다양성과 생물학적 기능이 연관되었다고 보고되었어도, 아직까지 왜 아밀로이드 섬유가 다양한 분자구조 형태를 가지는지가 명확하게 규명되고 있지 않다. 이번 연구를 통해 아밀로이드 섬유가 어떻게 분자구조의 다양성을 가질 수 있는지를 조금이나마 알 수 있었다. 이번 연구를 확장하여, 질병관련 아밀로이드 단백질의 종류에 따라 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성 제어 가능성을 파악하고, 또한 아밀로이드 섬유의 분자구조 다양성에 따른 재료특성(예: 기계적 특성)을 규명하고자 한다. 이와 같이, 이번 연구를 확장하여, 아밀로이드 섬유의 “분자구조 다양성, 재료특성 및 생물학적 기능의 연관성”을 궁극적으로 규명하고자 한다.

세계적인 학술지인 네이처(Nature)를 발행하는 NPG (Nature Publishing Group)에서 발행하는 공학 및 자연과학 분야의 저명 학술지(IF: 5.078)

 

비정상적 접힘(folding) 또는 효소에 의해 분해된 단백질 사슬(protein chain) 및 펩타이드 사슬 (peptide chain)이 응집(aggregation)되면서 형성된 섬유

 

주파수(frequency)가 높은 전자파를 의미하며, 통신 및 식품 가열, 해동, 살균 등이 가능한 전자렌지에 이용된다.

아주 짧은 시간 동안에 큰 진폭을 내는 어떠한 양 (예: 전류, 전압, 파동 등)이 일정한 주기로 되풀이 되는 변화를 펄스라고 한다.

나노크기의 탐침이 있는 마이크로 캔틸레버(microcantilever)를 이용하여, 나노 단위의 샘플 표면을 이미징(imaging)할 수 있는 장비이다. 또한 표면 이미징뿐만 아니라, 생체분자 센싱(sensing) 및 분자간 상호작용 분석 등의 연구에 활용되고 있다.

                     

(a) water-bath를 이용한 합성기법 모식도. 왼쪽 inset 그림은 water-bath를 이용한 합성기법은 공기를 먼저 뜨겁게 하여 열에너지가 단백질을 포함한 용액에 전달된다. (b) 마이크로파를 이용한 합성기법 모식도. 왼쪽 inset 그림에서 보여주는 바와 같이, 마이크로파를 이용한 합성기법은 단백질을 포함한 용액을 직접적으로 열에너지를 전달함. (c) water-bath를 이용하여 합성된 아밀로이드 단백질을 원자힘현미경(atomic force microscopy, AFM)으로 찍은 이미지. (d) 마이크로파를 이용하여 생성된 아밀로이드 섬유를 AFM으로 찍은 이미지. 

(a) 마이크로파 펄스 조건에 따라 형성된 아밀로이드 섬유를 AFM으로 찍은 이미지. (b) 마이크로파 펄스 조건에 따른 아밀로이드 섬유의 길이의 확률분포도. (c) 마이크로파 펄스 조건에 따른 아밀로이드 섬유의 두께 확률분포도. (d) 마이크로파 펄스 조건에 따른 아밀로이드 섬유의 나선형 구조(helical structure)를 나타내는 나선 폭(helical pitch)의 확률분포도. 

그림 3. 마이크로파 펄스 조건에 따른 아밀로이드 섬유 형성 메커니즘 모식도.  

(a) 마이크로파 펄스 조건에 따라 형성된 아밀로이드 섬유를 AFM으로 찍은 이미지. (b) 마이크로파 펄스 조건에 따라 형성된 아밀로이드 섬유의 표면전하 특성을 나타내는 KPFM (Kelvin probe force microscopy) 이미지. (c) 마이크로파 펄스 조건에 따라 형성된 아밀로이드 섬유의 표면전하 분포도 (d) 마이크로파 펄스 조건과 아밀로이드 섬유의 표면전하 밀도 (surface charge density)와의 관계. (e) 마이크로파 펄스 조건과 아밀로이드 섬유의 표면전하와 두께와의 연관성.