저희 연구실은 크게 DNA 복구 단백질과 세포 기계생물학의 두 가지 주제를 연구합니다.
DNA 복구 단백질에 관한 연구에서는 DNA의 안정성, 복제 과정에서 세포 유전체에 가해지는 스트레스, 그리고 DNA 손상을 탐색하는 기전 등에 초점을 맞추고 있습니다. 세포 기계생물학에 관한 연구는 식세포작용을 촉진하는 수용체와 식세포작용에 관련된 합성 물질을 중점으로 진행 중입니다.
유전자 발현 과정에는 중합효소 (polymerase), 나선효소 (helicase)와 같은 여러 효소들이 관여합니다. 이러한 효소들과 핵산의 상호작용에 관한 연구는 유전자 발현의 조절 원리를 밝히기 위해 매우 중요합니다. 저희는 분자 단위로 핵산과 단백질의 작용을 관찰하여 세포 수준의 연구로는 파악할 수 없는 유전자 조절 작용을 밝혀내고자 합니다.
핵산과 단백질을 관찰하기 위해 저희 연구실에서는 단일 분자 형광 공명 에너지 전이 (single molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer) 기술을 이용합니다. 에너지 제공자와 수용자 역할을 하는 두가지 형광 물질이 인접해 있을 때 가까이 있을수록 에너지 전이 효율이 상승하면서 수용자 형광 물질의 형광 세기는 증가하며 제공자 형광 물질의 형광 세기는 감소합니다. 형광 강도에 발생하는 변화를 측정하여 나노미터 (nm) 단위의 순간적인 거리 변화를 구분할 수 있습니다.
단일 형광 물질을 관찰할 때는 전반사형광현미경 (Total internal reflection fluorescence microscope)을 사용합니다. 전반사형광현미경은 특정 임계각보다 큰 입사각으로 빛을 입사시켜 발생하는 소멸파 (evanescent wave)로 형광 물질을 선택적으로 밝힙니다. 배경 형광은 최소화하고 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있어 일반 형광 현미경으로는 할 수 없는 고해상도 분석이 가능하여 핵산-단백질 또는 단백질-단백질 상호작용을 관찰하는데 적합합니다. 이러한 단일 분자 형광 이미징을 통해 실시간으로 핵산-단백질 복합체가 어떻게 형성되고 기능하는지 영상화함으로서 유전자 발현을 조절하는 기전을 탐구합니다.
세부적으로는 핵산 구조 변화, 핵산-단백질 상호작용, 그리고 단백질 형태 변화를 연구하고 있습니다. 형광 물질로 핵산과 효소 단백질을 표지하면 이들이 상호작용하면서 분자들 사이 거리의 변화를 감지할 수 있습니다. 같은 원리로 단일 핵산 분자나 단백질 분자를 다수의 형광 물질로 표지하여 표적 분자의 형태나 구조에 변화가 발생한 경우 파악할 수 있습니다.
식세포작용은 면역반응, 암세포와 사멸 세포 (apoptotic cell)의 제거 등에 중요한 역할을 합니다. 저희 연구실은 식세포작용 등 세포 기능에 관여하는 adhesion G 단백질 연결 수용체의 활성화에서 기계적 자극이 미치는 영향과 활성화 기전을 연구합니다. 자기 집게 (magnetic tweezer) 등의 단일 분자 힘 분광학 (force spectroscopy) 기술을 이용하여 분자 단위로 수용체 단백질에 기계적 힘이 미치는 영향을 관찰합니다. 자기 집게는 자기 비드 (magnetic bead)를 자기력을 이용해 당김으로써 비드에 연결된 핵산이나 단백질이 인력에 의해 받는 영향을 관찰할 수 있게 합니다.
또한 대식세포에 의한 암세포 제거를 촉진하기 위한 신물질을 만들어내는 합성생물학 연구도 진행하고 있습니다. 기존 암 면역 치료에 사용되는 키메라 항원 수용체 T 세포는 종양 조직에 깊이 투과할 수 없다는 단점이 있습니다. 저희는 종양 조직에 투과성이 높은 대식세포와 암세포 사이의 상호작용을 조절함으로써 암세포 특이적인 물질을 대식세포가 인식하여 식세포작용으로 제거하도록 유도하고자 합니다. 세포 간 리간드-수용체 상호작용을 조정하기 위해 두 종류의 수용체를 연결한 키메라 수용체와 암세포와 대식세포를 물리적으로 연결하는 연결 물질을 설계, 합성하고 있습니다.
