“단 6밀리초, 획기적 단축”…KAIST, 단백질 구조 고해상도 포착 성공

- 강진영·이원희 교수 공동 연구팀

- 시간 분해 초저온 전자현미경 분석기법 개발

이번 연구를 수행한 KAIST 연구진. 강진영(왼쪽부터) 화학과 교수, 황혜랑 화학과 석박사통합과정, 이원희 물리학과 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 생명현상을 이해하고 신약 개발을 위해서는 단백질 상호 작용 및 효소-기질 반응 등 마이크로초~밀리초 수준의 짧은 시간 동안 일어난 현상을 이해하는 것이 필수적이다. 국내 연구진이 생화학 반응의 변화를 수 밀리초 수준에서 정지시키고 분석하는 방법을 개발했다.

KAIST는 화학과 강진영 교수와 물리학과 이원희 교수 공동 연구팀이 초고속 생화학 반응 연구를 위한 ‘패릴렌(parylene)’ 기반 박막 미세유체 혼합-분사 장치’를 개발했다고 25일 밝혔다.

패릴렌이란 단백질 반응을 초고속으로 관찰하기 위한 미세유체(microfluidics) 장치를 만드는 핵심 재료로 수 마이크로미터의 얇은 박막형태로 스프레이 제작이 가능하게 만든 소재를 말한다.

이번 연구는 기존 제시됐던 시간 분해 초저온 전자현미경(TRCEM) 기법의 한계를 극복해 기존 대비 시료 소모량을 1/3 수준으로 줄이면서 분석가능한 최소 반응시간을 기존 기술 대비 수십 배 향상시켜 6밀리초(1000분의 6초)까지 단축했다.

시간 분해 초저온 전자현미경은 단백질 복합체의 반응 중간 상태를 초저온에서 빠르게 냉동해 구조를 분석하는 기술로 최근 특별히 많은 주목을 받고 있다.

통상적인 초저온 전자현미경 분석에서는 짧은시간 존재하고 사라지는 반응 중간체를 포착하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 다양한 TRCEM 기법이 개발됐으나, 기존 기술은 많은 시료 소비와 제한된 시간 해상도 등의 한계로 어려움이 있었다. 연구침은 이를 극복하기 위해 초박막 패릴렌 소재를 적용한 새로운 혼합-분사장치를 개발했다.

패릴렌 기반 박막 마이크로플루이딕 장치를 이용한 TRCEM 그리드 제작 셋업과 장치의 실제 모습.[KAIST 제공]

이 장치는 시료의 양을 기존 대비 1/3 수준으로 줄여 실질적인 연구의 어려움을 개선했으며, 미세유체역학 소자 내에서 반응 개시에 드는 시료 혼합 시간을 0.5밀리초로 줄여 전체 반응시간을 6밀리초까지 줄였다. 연구팀은 또한 소자의 일체형 설계를 통해 실험의 정밀도와 재현성을 향상했다.

강진영 교수는 “이번 연구는 구조 생물학 및 신약 개발, 효소 반응연구, 바이오 센서 개발 등 다양한 생명과학 및 의약 분야에서 패럴린 박막 소자의 폭넓은 활용 가능성을 제시했다”고 설명했다.

이원희 교수는 “앞으로 이를 활용한 생화학 반응 연구와 더 빠른 반응 분석을 위한 성능 향상을 목표로 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 1월 28일 온라인 게재됐다.