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레이저 빛에 응답하여 쥐의 세포를 움직이는 복합 단백질이 만들어졌다. 이 세포들은 광선을 따라 움직일 수 있고 명령에 따라 중지할 수 있다. 연구원들은 빛을 이용한 “on-off 스위치”를 사용하여 식물에서 포유동물 세포에 이르기까지 다양한 세포기능을 제어할 수 연구는 이번이 처음이라고 말했다. 이러한 연구는 암, 심장 혈관 연구에 강력하고도 새로운 도구를 제공할 가능성을 열었으며 궁극적으로 신경의 성장과 같은 복잡한 프로세스를 제어할 수도 있는 강력한 도구가 될 수 있다.

"이것은 세포 생물학 및 암 연구를 위한 강력한 방법이다. 만약 우리가 세포의 여러 기능에 사용할 수 있는 ‘광학 스위치’를 사용할 수 있으면 간단하게 빛을 사용해서 세포가 무엇을 해야 하며 언제 원하는 곳에 가야 하는지, 언제 어디로 이동해야 할지 제어할 수 있는 능력을 갖출 수 있다.”라고 캘리포니아 대학(샌프란시스코 소재, UCSF)의 세포 및 분자 약리학과 교수이며 하워드 휴즈 의학 연구소 연구원인 Wendell Lim이 말했다.

연구팀은 스위치를 겨자의 한 종류인 애기장대(Arabidopsis thaliana)로 부터 빛에 민감한 단백질을 사용하여 만들었다. 이 연구는 씨앗의 발아를 규제하고 차양을 회피하며 또한 빛에 반응하는 다른 과정을 통제하기 위해 심어진 특정한 타입의 피토크롬에서 비롯되었다. 식물 세포에서 단백질은 붉은 스펙트럼 빛 노출에서는 모양 변화가 생기지만 적외선에 대해서는 정상 상태로 되돌아간다. 그들은 교배한 피토크롬과 단백질에 붉은빛을 비춤으로써 세포의 외부 막 즉, 세포 소포체의 구조를 변경하며 이동할 수 있도록 하는 방법으로 시스템을 만들었다. 반면 적외선은 신속하게 바깥막으로 복합 단백질의 이동을 막는다. 빛의 파장 전환으로, 연구진은 세포 운동을 켜고 끌 수 있었다. 레이저 빛살을 이용해서 1μm의 분해능으로 세포 모양을 만들 수 있었다.

이 연구는 노스캐롤라이나 대학(채플 힐소재)의 Klaus Hahn 박사와 그 동료에 의한 유사한 연구물(참조 Light Controls Cell Movement)과 함께 네이쳐의 온라인판으로 9월 13일에 게재되었다. 두 논문은 처음으로 복잡한 규제과정을 제어하기 위한 포유동물 세포에 식물의 빛 스위치 장치를 사용할 수 있다는 것을 증명해 보였다.

UCSF의 연구는 단백질에 기반을 두고 많은 종류의 세포와 미생물의 다양한 과정들을 제어할 수 있는 유전적 플러그 앤 플레이 스위치(generic plug-and-play switch) 개발에 있어서는 매우 독보적이다고 연구팀은 말했다. 이러한 결과물들은 장래에 다양한 치료법에 적용할 수 있다. 예를 들면 척수 손상의 경우는 부러진 척추 통로를 통해 신경세포를 다시 연결할 수도 있다고 논문에 실린 세 명의 저자 중 한 명이자 UCSF와 UC 버클리 NIH(National Institutes of Health)의 나노 의약 개발센터의 Lim이 말했다.

덧붙여서, 이 결과물들은 과학 연구에 있어서 암이나 염증 같은 복잡한 조절 과정들을 포함하는 질병에 대한 새로운 접근방식을 제공하였다고 Lim은 말했다. 또한, 많은 세포 과정들은 세포에서 언제 또는 어디에서 단백질이 나타나는지에 의해 많이 규제가 되기 때문에 암과 같은 극도로 복잡한 신호 네트워크 과정에 on-off 스위치를 삽입하는 것은 매우 유용하다고 그는 덧붙였다

이 연구는 논문의 저자 중 한 사람인 Lim 연구실과 생화학자인 Chris Voigt 박사의 연구실의 대학원생이자 UCSF 제약 및 약학과 조교인 Anselm Levskaya에 의해 수행되었다. Levskaya는 처음에는 빛 센서로 사용될 수 있는 단백질을 얻기 위해 식물을 생각했다. 식물은 씨앗 발아에서 식물성장과 같은 여러 가지 과정들을 제어하기 위하여 피토크롬 또는 빛 감지 신호 단백질에 의존하는 것으로 알려졌다. 그는 이러한 피토크롬이 유전적으로 포유 동물세포에 설계할 수 있고 세포운동과 같은 특정한 기능을 할 수도 있다고 제안하였다.

Levskaya는 식물로부터 PhyB-PIF 상호작용이라고 알려진 상호작용하는 단백질 한 쌍을 확인하였는데 이를 이용해 스위치처럼 켜거나 끌 수 있었다. 그 단백질을 살아 있는 쥐의 세포 움직임을 제어하는 세포 통로 세포로 이식하였다. 그 결과 세포들은 엷은 붉은빛의 외부 광선에 의해 당겨질 수 있거나 또는 외부 적외선 광선에 의해 밀어낼 수 있었다.

"우리는 조건문을 따르는 박테리아나 효모 세포를 프로그래밍하기 위하여 유사한 빛 센서를 사용할 수 있다. 놀라운 사실은 첫째 이를 포유동물 세포에 적용하였고 둘째 우리가 선택한 기능을 세포들이 수행하고 나서 다시 해제하는 방법을 찾았다는 것이다.”라고 Voigt가 말했다. Levskaya 연구의 반대의 측면도 중요하다고 Voigt는 말했다. 많은 방법이 매우 간단하고도 오직 한 방향에만 중점을 두며 세포 경로를 방해하는 데 집중한다. 즉 이 방법들은 과정을 차단하거나 두 단백질 사이 상호작용을 방해하여 하나의 행동으로만 제한을 둔다. 반면에 Levskaya의 접근방식은 상대적으로 어떠한 분란이 일어났을 때 필요에 의해 분란을 중지시킬 수 있다.

"우리가 빛을 이용한 새롭고 비침투적인 방법으로 세포의 모양과 운동을 제어할 수 있다는 것은 아주 흥미로운 일이다. 만약 우리가 전이(metastasis) 또는 성장과 같은 복잡한 과정을 이해하려고 노력한다면 빛으로 한 곳만 활성화할 수 있는 장치가 있다는 것은 매우 큰 장점이다.”라고 Lim은 말했다. 이 연구가 세포 성장 실험실에서 이루어지고 끝날 즈음, Lim은 이제 다른 연구원들과 살아있는 동물에 빛을 이용한 스위치 사용연구를 수행하고 있다.

그는 동시에 새로운 장소나 파트너에 대해서 단백질이 포함된 세포 과정들을 빛으로 제어하는 프로그램할 수 있는 시스템을 만들기 위해 같은 방법을 사용하는데 관심이 많다. 다양한 신호 단백질에 피토크롬을 연결하는 것은 세포 행동을 조작하는 매우 강력한 방법이 될 수 있다. "이것은 일반적인 유전 세포의 메커니즘이기 때문에, 세포 분열이나 유전자의 활성화나 불활성화 같은 기능을 조작하는 빛 조절 스위치를 보편적인 원격조절기처럼 사용할 수 있다.”라고 그는 말했다.

(그림) 섬유 모 세포 주변에 빨간색 레이저로 광수용체인 피토크롬(phytochrome)을 원격 제어하여 바깥쪽 조명 지점을 향해 세포 성장을 유도한다. 레이저 초점을 천천히 밖으로 이동하여 돌출부위가 세포의 몸체에서 30마이크로미터 나왔다.
 

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  1. Lonny Tice

    Tracked from Neoways의 막나가는 분자생물학 :: 레이저 빛으로 프로그램할 수 있는 세포 2018/03/09 09:45 Delete

    I found a great...

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그간 컴퓨터와의 얄팍한 관계 속에서 느낀바 있어 이제 진짜 블로거로써도 한번 살아보고 싶은 네오 하지만 딱히 글쓰는 재주는 없고 그렇다고 박학다식하지도 않으며, 또 주관이 뚜렷한 것도 아니라서 줄 곧 불펌 나르기만 해왔기에.. 할 줄 아는 거라곤 그나마 전공이지 않을까 전공으로 뭐 하나 해 볼 순 없을까 결국 얄팍한 지식의 깊이도 들어나겠지만.. 한번 건들여 봐?

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