2016년 노벨 생리의학상은 세포의 ‘자가포식(오토파지, Autophagy)’ 현상을 최초로 발견한 일본 과학자 오스미 요시노리 교수에게 돌아갔다. 인체 내 세포는 영양분이 결핍되거나 생존에 불리한 스트레스 환경에 노출되면 세포 내 불필요한 단백질이나 구성요소 및 소기관을 분해해 새로운 에너지원을 재생산한다는 게 자가포식 현상이다.

기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단 연구진은 이러한 세포 자가포식에 관여하는 세포 내 소기관의 움직임을 관찰하는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 이번 연구를 신경세포에 적용할 경우 알츠하이머 치매나 파킨슨병 등 퇴행성 뇌질환 치료 연구에 도움을 줄 것으로 기대된다.

세포 자가포식이 제대로 일어나지 않으면 세포는 충분한 에너지를 얻을 수 없어 죽는다. 기존 연구에서는 자가포식에 관여하는 두 세포 소기관을 관찰하기 위해 형광 단백질을 주로 이용했다. 그러나 자가포식 과정 중 분해 효소로 인해 형광 단백질이 함께 분해돼 자가포식 현상을 안정적으로 관찰하는 데 어려움이 있었다.

연구진은 강력한 형광 분자 결합쌍인 ‘쿠커비투릴’ 분자와 ‘아다만탄아민’ 분자의 특이적 결합 원리를 이용해 자가포식이 일어나는 세포 소기관의 움직임을 안정적으로 관찰하는 데 성공했다. 쿠커비투릴-아다만탄아민 분자는 이른바 ‘주인-손님’ 상호작용으로 불리는 강력한 결합을 한다.

쿠커비투릴-아다만탄아민 분자 결합을 이용한 세포 자가포식 관찰법. 리소좀을 인지하는 형광 분자로 속이 빈 호박모양의 쿠커비투릴(왼쪽 위)을, 미토콘트리아를 인지하는 형광 분자로 아다만탄아민(오른쪽 위)를 사용한 형광 바이오 이미징 기술의 모식도.

연구진은 세포 내에서 분해 효소를 지닌 소기관인 ‘리소좀’과 분해대상 소기관인 ‘미토콘드리아’에 주목했다. 미토콘드리아는 퇴행성 뇌질환과 관련이 깊다. 많은 에너지를 사용하는 뇌세포에서 미토콘드리아가 고장난 채 적절하게 분해되지 않으면 세포가 죽어 퇴행성 뇌질환으로 이어질 수 있기 때문이다.

연구진은 세포 내에서 리소좀과 미토콘드리아의 자가포식 과정을 관찰하기 위해 쿠커비투릴과 아다만탄아민 분자의 강력한 결합을 이용했다. 우선 쿠커비투릴과 아다만탄아민 분자를 관찰할 수 있도록 각각 형광 분자를 붙인 뒤 쿠커비투릴은 세포 내 리소좀을, 아다만탄아민은 미토콘드리아를 인지할 수 있도록 했다.

또 자가포식 과정을 관찰하기 위해 리소좀과 미토콘드리아가 융합될 때도 형광이 나타나도록 실험을 고안했다. 두 소기관이 융합할 때 쿠커비투릴과 아다만탄아민 분자가 결합하는데, 이들에 붙은 두 형광 분자가 가까워지면서 일어나는 에너지 전이로 형광이 나타나는 원리다.

실험 결과 쿠커비투릴-아다만탄아민 형광 분자 수용액을 세포에 처리하면 쿠커비투릴은 리소좀을, 아다만탄아민을 미토콘드리아를 인지해 서로 다른 색의 형광이 나타났다. 자가포식을 위해 융합하면 에너지 전이로 인한 형광으로 융합과정도 관찰할 수 있었다. 두 세포 소기관의 각각 움직임과 자가포식 과정에서의 융합 움직임 등 전 과정을 살펴볼 수 있게 된 것이다.

김기문 IBS 복잡계자기조립연구단장은 “이번 연구에서 개발한 이미징 기술을 신경세포에 적용한다면 퇴행성 신경질환의 세포 자가포식 현상을 보다 명확히 규명할 수 있는 계기를 마련할 것”이라며 “향후 암, 감염병 치료와 신약 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구결과는 독일 응용화학회지 온라인판에 게재됐다.