세포 속 우편배달부 '소포'도 교통 체증 겪는다

IBS 연구단, 고해상도 비표지 간섭산란 현미경 개발해 확인

국내 연구진이 세포 내에서 물질을 운송하는 '소포'(vesicle)도 출퇴근 길 도로 정체 같은 교통 체증을 겪고 있다는 것을 처음으로 확인했다.

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수)과 홍석철 교수(고려대 물리학과) 연구팀이 살아있는 세포 속에서 활발하게 이동하는 소포의 움직임만을 선택적으로 추적할 수 있는 새로운 현미경을 개발했다고 15일 밝혔다.

얇은 지질 막으로 둘러싸인 작은 주머니 모양의 소포는 호르몬, 효소, 신경 물질 등을 속에 담아 이것들이 필요한 세포 내 적시 적소에 배달하는 일종의 우편배달부다.

우편물 오배송처럼 소포가 엉뚱한 곳에 물질을 배달하거나, 운송이 지연되면 다양한 질환이 발생할 수 있다.

'소포 수송'(vesicle traffic)의 작용 원리를 규명한 3명의 연구자가 2013년 노벨 생리의학상을 받기도 했다.

소포의 수송 원리, 소포와 세포 소기관의 상호작용 분석 등 연구는 지금까지 형광 현미경을 주로 사용했다.

하지만 형광 현미경은 형광 표지된 특정 소포들의 수송 과정만 관찰할 수 있고, 형광 신호가 유지될 수 있는 제한된 시간 내에서만 관찰할 수 있는 한계가 있었다.

세포 속의 복잡한 골격 망을 따라 수송되는 수많은 소포의 전체적인 수송 현상을 시각화하는 것이 어려웠다.

연구팀은 자체 개발한 간섭산란 현미경(단일 나노 크기의 입자나 생물 분자 질량 측정 및 브라운 확산 과정을 고속 추적할 수 있는 고감도 비표지 간섭 현미경)을 이용해 복잡한 세포 속에서 이동하는 소포들의 이동 궤적을 장시간 정밀하게 추적하는 데 성공했다.

연구팀은 30분이 넘는 장시간 동안 세포의 핵 주변에서부터 라멜리포듐(얇고 짧은 액틴 필라멘트의 분기된 네트워크 구조를 포함하는 널찍한 부채 모양의 세포 가장자리 돌출부)으로 이어지는 영역에서 100개 이상 소포의 이동 궤적을 동시에 추적했다.

추적 영상은 초당 50Hz의 영상 촬영 속도(1초에 50장의 이미지 재생)로 얻었다.

이 과정에서 획득한 소포 위치 정보를 이용해 세포 내부의 고속도로라고 할 수 있는 골격 망의 공간적 분포를 고해상도로 재구성했다.

연구팀은 기존 연구에서 알려진 적 없는 소포의 새로운 수송 특성도 확인했다.

수송 과정에서 소포들이 국소적으로 이동 정체 현상을 겪기도 하지만, 여러 소포가 함께 긴 거리를 동일한 방향으로 이동하는 집단 수송 방식, 수송 중인 소포 뒤에 달라붙어 함께 이동하는 히치하이크 수송 방식 등을 이용해 세포 속 정체 현상을 효과적으로 극복하기 위한 수송 전략을 갖고 있다는 것을 밝혀냈다.

연구팀은 개발한 현미경에 형광 표지된 세포 속 분자를 관찰할 수 있는 형광 현미경을 결합한 관찰 도구도 개발했다.

고속·고해상도 간섭산란 영상 기법에 화학 선택적 형광 영상 기법을 접목, 관찰 정밀도를 한층 더 높인 것이다.

제1 저자인 박진성 연구원은 "매우 복잡하고 미시적 세계인 세포 속 환경에서 대도시 사람들이 도로 위에서 일상적으로 경험하는 교통 체증 현상이 유사하게 나타났다"며 "세포가 트래픽 문제를 극복하기 위해 채택하는 효율적 수송 전략을 찾아 생명현상과 어떻게 연관되는지 규명해 볼 계획"이라고 말했다.

조민행 단장은 "살아있는 세포를 형광에 의존하지 않고 초 고분해능으로 관찰하는 데 성공함으로써 생명 현상을 미시적 관점에서 생생하게 밝혀낼 새로운 전기를 마련했다"고 의미를 부여했다.

연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 14일 게재됐다.

/연합뉴스