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학술

크고 안정적인 인공세포막 최초 개발

'Scientific Reports' 12월 16일자에 게재

Enhanced stability of freestanding lipid bilayer and its stability criteria 
   
     
한국연구재단(이사장 조무제)은 최명철 교수․최시영 교수 공동연구팀(한국과학기술원)이 안정적이면서 큰 면적을 가지는 인공세포막을 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 

세포막은 세포와 세포 외부 사이의 경계를 이루는 막이다. 물질 수송 및 신호 전달 등의 기능을 수행한다. 세포막에 이상이 생기면 암, 치매 등 질병이 발생하게 된다. 

세포막은 수많은 요소들이 복잡하게 얽혀 있고, 수 나노미터의 두께로 매우 얇기 때문에 안정적으로 만들기가 어렵다. 하지만 인공세포막은 텅빈 집에 가구를 하나씩 들여놓듯이 원하는 요소만을 배치하여 관찰하고 조절할 수 있다. 

연구팀의 개발 이전에는 인공세포막이 구조적으로 매우 불안정하여 형성과정에서 붕괴돼 버리거나 오랫동안 유지되지 못하여 활발히 사용될 수 없었다. 연구팀은 큰 면적이면서 안정적인 인공세포막 개발에 성공하였다. 

인공세포막은 세포막을 이루고 있는 인지질*로 구성된 단일막*을 물방울에 씌운 뒤, 이 물방울을 평평한 물 표면에 있는 다른 단일막에 가져감으로써 두 단일막이 합쳐져 세포막과 같은 구조인 이중막* 구조가 만들어지게 하였다. 이 과정에서 연구팀은 물방울들이 기름 속에서 합쳐지지 않고 잘 떠다닐 수 있게 해 주는 계면활성제*를 안정제로 사용함으로써 물방울이 평평한 물 표면에 합쳐지지 않도록 하여 인공세포막의 안정성을 획기적으로 높일 수 있었다. 이로 인해 계면활성제가 인공세포막에 섞여 들어갈 경우 인공세포막의 물성이 달리질 수 있지만, 연구팀은 이 계면활성제가 인공세포막의 생성 이후 자연히 빠져나온다는 사실을 밝혔다. 

 * 인지질: 지방에 인산기가 결합된 분자의 총칭. 길쭉한 막대 형태로 한 쪽 끝은 물을 좋아하는 친수성을 가지고 반대쪽은 물을 싫어하는 소수성을 가짐. 세포막을 구성하는 뼈대 역할을 함. 

 * 계면활성제 : 한 분자 내에 물을 좋아하는 부분과 물을 싫어하는 부분을 동시에 가지고 있는 분자임. 물과 기름이 만나는 표면에 앉아 표면이 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 역할을 함. 


또한 기존 연구에 비해서 비약적으로 넓은 수 밀리미터에 달하는 대면적의 인공세포막을 형성하는 데에 성공하였다. 이는 인공세포막을 현미경으로 직접 관찰할 수 있게끔 하였다는 것에서 큰 의미를 가진다. 개발된 인공세포막은 유기용제와 같은 불순물이 끼어 있지 않은 순수한 상태라는 것을 확인하였다. 

최명철 교수는 “이 연구성과는 안정적으로 대면적의 인공세포막을 만들 수 있는 기술을 개발한 것이다. 인공세포막의 부재로 인해 할 수 없었던 많은 연구를 수행할 수 있게 됨에 따라 암, 치매를 비롯한 질병연구의 바탕인 새로운 플랫폼을 제공하였다.”고 연구의 의의를 설명했다. 

이 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단의 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었으며, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 12월 16일자에 게재되었다.  


논문의 주요 내용


□ 논문명, 저자정보 

   - 논문명 : Enhanced stability of freestanding lipid bilayer and its stability criteria 
   - 저자 정보 : 최명철(KAIST, 교신저자), 최시영(KAIST, 교신저자), 정대웅(KAIST, 제1저자), 장현우(KAIST, 공동저자)

□ 논문의 주요 내용 

 1. 연구의 필요성

세포막은 물질 수송 및 신호 전달을 포함하여 많은 중요한 역할을 수행하고 있다. 하지만 세포막은 수많은 요소들로 이루어져 있고, 이런 요소들이 복잡하게 얽혀 있어서 세포막의 기능과 역할에 대해서 연구하는 것에는 많은 어려움이 따른다

인공세포막을 형성하여 실험에 활용하게 되면 세포막을 이루는 요소 중에서 관심 있는 특정 요소들만을 관찰하고 조절할 수 있어 세포막의 기능과 역할을 밝히는 데에 큰 도움을 주지만, 안정적으로 인공세포막을 형성하지 못해 많은 연구가 제한되고 있다. 따라서 안정적으로 인공세포막을 형성하고 유지할 수 있는 새로운 방법이 필요하다


 2. 연구내용 
  
이 연구에서는 인지질로 구성된 단일막을 물방울에 씌운 뒤, 이 물방울을 평평한 물 표면에 있는 다른 단일막에 가져감으로써 두 단일막이 합쳐져 세포막과 같은 구조인 이중막 구조가 만들어지게 하였다

이 때 인공세포막의 안정성을 높이기 위해서 계면활성제를 안정제로 사용함으로써 인공세포막의 안정성을 획기적으로 높일 수 있었다. 
 
이 연구 이전에는 인공세포막이 구조적으로 불안정하여 형성과정에서 붕괴돼 버리거나 오랫동안 유지되지 않아 활발히 활용될 수 없었지만, 인공세포막의 안정성을 높임으로써 다양한 연구를 위해 실제로 사용될 수 있게 되었다.


3. 연구 성과
  
세계 최초로 수 밀리미터에 달하는 넓이를 가지는 눈에 보일 정도로 넓은 인공세포막을 안정하게 유지하는 것에 성공하였다.

안정제로 사용되었던 계면활성제가 인공세포막이 모두 형성된 후에는 모두 자연히 빠져 나오는 것을 확인하였다.

안정적인 인공세포막을 만들기 위한 조건들을 정확히 제시함으로써 다양한 연구에서 두루 활용될 수 있는 인공세포막 형성 표준을 제시하였다.

인공세포막의 부재로 인해 할 수 없었던 많은 연구를 수행할 수 있는 플랫폼을 제공함으로써 암, 치매를 비롯한 질병연구의 바탕을 마련할 것으로 기대된다.



연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
 
세포막은 세포와 세포 외부 사이의 경계를 이루는 관문 역할을 하며, 물질 수송 및 신호 전달을 포함하여 많은 중요한 임무를 수행하고 있다. 하지만 세포막은 수많은 요소들로 이루어져 있고, 이런 요소들이 복잡하게 얽혀 있어서 세포막의 기능과 역할에 대해서 연구하는 것에는 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해서 대두하고 있는 방법이 바로 인공적으로 세포막을 형성하여 실험에 활용하는 '인공세포막 형성'이다. 인공세포막을 활용하게 되면 세포막을 이루는 요소 중에서 관심 있는 특정 요소들만을 관찰하고 조절할 수 있어 세포막의 기능과 역할을 밝히는 데에 큰 도움을 준다.
 
하지만 세포막의 기본형태인 인지질 이중막(lipid bilayer)은 불과 수 나노미터의 두께를 가지는 너무나도 불안정한 구조이기 때문에 안정적으로 인공세포막을 형성하지 못하는 문제가 있다. 


 2. 연구내용

이 연구에서는 특수한 계면활성제인 SPAN 80*을 이용하여 인공세포막의 안정성을 획기적으로 높임으로써 눈으로 확인할 수 있을 정도로 대면적을 가지는 인공세포막을 안정하게 유지하는 방법을 세계 최초로 개발하였다. 
      
*SPAN 80 : 대표적인 에멀젼 안정제의 하나로, 기름 속에서 물방울들이 서로 합쳐지지 않도록 하는 기능을 가지고 있음. 

유기용제에 인지질*을 녹인 후에 물 위쪽에 유기용제를 부어서 물과 유기용제 사이에 표면을 만들면, 이 표면에 인지질이 부착되면서 인지질로 이루어진 막이 형성된다. 이후 유기용제 내에서 물방울을 만들면 물방울의 표면에도 같은 방식으로 인지질 막이 형성되는데, 이 때 물방울을 물 표면으로 가져가면 두 인지질 막이 합쳐지면서 인공세포막으로 활용할 수 있는 인지질 이중막이 만들어진다.  
      
*인지질 : 지방에 인산기가 결합된 분자의 총칭. 길쭉한 막대 형태로 한 쪽 끝은 물을 좋아하는 친수성을 가지고 반대쪽은 물을 싫어하는 소수성을 가짐. 세포막을 구성하는 뼈대 역할을 함. 

하지만 이런 인공세포막은 안정적으로 유지하는 것이 어렵기 때문에 연구에 활용하기 위해서는 안정성을 높일 방법이 필요하다. 이 연구에서는 인공세포막의 형성과정에서 계면활성제인 SPAN 80을 첨가하는 방법을 새롭게 적용하였다. 그 결과, SPAN 80이 인공세포막의 안정성을 획기적으로 높여주는 것을 확인하였으며, 이를 통해 세계 최초로 밀리미터 크기의 인공세포막을 안정하게 유지하는 것에 성공하였다.

그 뿐만 아니라, 인공세포막이 안정적으로 만들어진 이후에는 SPAN 80이 자연스럽게 빠져나오는 것을 확인하였다. 이는 안정성이 높으면서도 인지질로만 이루어져 있는 인공세포막을 형성하는 데 성공했다는 점에서 큰 의미를 가진다. 또한 최대한 안정적으로 인공세포막을 만드는 방법을 사용할 경우 인공세포막 내부에 유기용제가 남아있어 문제가 된다는 학계의 보고가 많이 있었는데, 이 연구에서는 이중막 사이에 전혀 끼어 들어가지 않는 유기용제를 사용하였기 때문에 더욱 큰 의의를 가진다. 여기서 그치지 않고, 이 연구에서는 SPAN 80을 첨가하여 안정적인 인공세포막을 만들기 위한 조건들을 정확히 제시함으로써 다양한 연구에서 두루 활용될 수 있는 인공세포막 형성 표준을 제시하였다.


3. 기대효과

이 연구에서는 세계 최초로 눈으로 확인할 수 있을 정도로 대면적을 가지는 인공세포막을 안정하게 유지하는 방법을 개발하였으며, 다양한 연구에서 활용될 수 있도록 표준을 제시하기도 했다. 이로써 안정적인 인공세포막의 부재로 인해 할 수 없었던 많은 연구를 수행할 수 있게 되었다. 

세포막은 세포의 물질대사와 신호 전달에서 중요한 역할을 가지며, 암이나 알츠하이머를 비롯한 다양한 질병들과 직접적으로 연관되어 있다. 따라서 이 연구의 결과는 이전에는 수행할 수 없었던 약물시험, 질병 연구를 수행하기 위한 중요한 플랫폼으로서 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 이런 직접적인 질병에 대한 연구뿐만 아니라, 전반적인 세포막의 기능을 이해하는 생명과학 분야의 발전에도 많은 이바지를 할 것으로 기대된다. 


★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

인공적으로 세포막을 형성하고자 하는 연구는 세계적으로 활발히 진행되어왔지만, 인공세포막의 안정성이 너무 낮아 실제 연구에서 활발히 활용되는 데에 제한이 많았다. 따라서 세포막에 대한 중요한 연구들을 수행하기 위해서는 안정적인 인공세포막을 형성할 수 있어야 한다고 생각하였고, 이를 위한 연구를 수행하게 되었다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

두 물방울 위에 인지질 단일막을 형성하고 이 두 물방울을 가까이 가져감으로써 단일막이 합쳐져 이중막구조를 형성하게 하는 방법은 최근에 활발히 연구되고 있는 방법 중의 하나이다. 이 방법 역시 다른 방법과 마찬가지로 낮은 안정성이 문제로 대두되고 있다. 이런 안정성을 어떻게 하면 높일 수 있을 지를 생각하던 중에 물방울들이 기름 속에서 합쳐지지 않고 잘 떠다닐 수 있게 해주는 계면활성제를 생각할 수 있었다. 따라서 물방울들이 합쳐지지 않도록 안정성을 높이는 계면활성제를 이중막구조 형성 과정에 적용하였고, 이를 통해 안정성을 높일 수 있었다.


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

계면활성제를 사용하여 안정성을 높인 인공세포막 내부에 계면활성제가 함께 끼어들어가 있는지를 확인하는 과정에 어려움이 있었다. 계면활성제를 표시할 수 있는 표지 물질을 사용할 경우에는 계면활성제의 성질이 변화할 수 있기 때문이다. 하지만 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 인공세포막의 물리적 특성(물의 투과율 등)을 측정하여 순수한 이중막 구조와 비교함으로써 문제를 해결할 수 있었다.


□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 인공세포막에 비해서 획기적으로 높은 안정성을 가지는 인공세포막을 형성하는 방법을 개발하였다. 이를 통해서 기존에는 적용할 수 없었던 종류의 인지질이나 단백질을 적용할 수 있으며, 긴 시간이 소요되거나 대면적의 인공세포막이 요구되는 실험을 수행할 수 있게 되었다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

개발된 새로운 인공세포막을 활용하여 세포막의 기능과 역할에 대해 면밀히 연구함으로써 세포막 관련 질병/약물 연구의 기반을 마련할 예정이다.




용 어 설 명


1. 인지질 (Phospholipid)
○ 지방에 인산기가 결합된 분자의 총칭. 길쭉한 막대 형태로, 한쪽 끝은 물을 좋아하는 친수성을 가지고 반대쪽은 물을 싫어하는 소수성을 가짐. 세포막을 구성하는 뼈대 역할을 함.

2. 인지질 단일막 (Phospholipid Monolayer)
○ 인지질이 물과 기름이 만나는 표면에 모여서 만든 얇은 막으로 인지질 분자 하나 두께의 막임. 인지질들이 표면에 붙어서 서로 인접하게 모여서 만들어짐.

3. 인지질 이중막 (Phospholipid Bilayer)
○ 인지질 단일막 두 개가 서로 마주하는 형태로 두 겹의 막이 합쳐져 있는 구조. 단일막과 달리 양쪽 편이 모두 물로 이루어져 있으며, 이를 이중막이 나누고 있는 구조임.

4. 계면활성제 (Surfactant)
○ 한 분자 내에 물을 좋아하는 부분과 물을 싫어하는 부분을 동시에 가지고 있는 분자임. 물과 기름이 만나는 표면에 앉아 표면이 안정적으로 유지될 수 있도록하는 역할을 함.
 


그 림 설 명


 (그림 1) 안정적인 대면적 인공세포막을 형성하기 위한 방법에 대한 모식도
(a) 인지질 단일막이 코팅된 물방울을 평평한 유기용제/물 계면에 있는 인지질 단일막에 가져가면, 
(b) 두 단일막 사이의 유기용제가 빠져나가면서 두 단일막이 합쳐져 이중막이 형성됨. 
(c) 이후 두 단일막의 협착으로 이중막에서 SPAN 80이 빠져나오게 되고, 
(d) 결과적으로 대면적의 안정적인 인지질 이중막이 유기용제가 끼어있지 않은 상태로 만들어짐. 
(e) 이 과정을 현미경을 통해 실제로 촬영한 사진임. 
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