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생물학연구정보센터

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생물학연구정보센터(BRIC)

생물학연구정보센터(BRIC)는 생물학 분야에서의 국가 경쟁력 확보에 있어서 정보 및 정보 분석도구의 중요성에 대한 인식을 바탕으로 한국과학재단과 포항공과대학교의 지원으로 1996년 1월에 설립되었고 같은 해 5월 인터넷을 통한 정보 서비스를 시작하였습니다. 현재의 센터는 국내 생물학 연구자들의 정보수집의 장 뿐만 아니라 서로간의 의견교환이 가능한 interactive discussion forum의 역할을 하고 있습니다....

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식물 생장과 고온 스트레스 내성을 조절하는 핵심 스플라이소좀 인자 간 상호작용

식물은 이동성이 없어 고온, 저온, 가뭄 등 외부 환경 스트레스에 고스란히 노출될 수밖에 없습니다. 이러한 스트레스는 생장 저해와 생산량 감소로 이어지며, 실제 작물 수확량 손실의 큰 원인이 됩니다. 대개 식물의 방어 기작은 특정 전사 인자가 활성화되는 특수화된 과정으로 설명되지만, 최근 연구는 스플라이싱과 같은 기초 생명 활동 역시 스트레스 대응에 핵심적임을 강조합니다. 기초 생명 활동의 강화가 곧 식물의 생존 전략이 될 수 있다는 점이 이 연구의 출발점입니다. 유전 정보의 전달 과정에서 인트론을 제거하고 엑손을 연결하는 pre-mRNA 스플라이싱은 매우 정교한 단백질 복합체인 스플라이소좀에 의해 수행됩니다. 그중 STA1 단백질은 tri-snRNP의 핵심 구성 요소로서 다른 인자들과의 결합을 돕는 가교 역할을 담당합니다. 만약 STA1에 돌연변이가 생기면 인트론이 제대로 제거되지 않는 인트론 보류 현상이 발생하며, 이는 유전 정보의 왜곡을 초래하여 식물의 전체적인 크기를 작게 만드는 등의 생장 결함으로 이어지게 됩니다. 연구팀은 STA1의 결함을 회복시키는 억제 유전자인 DAT2를 발견하여 두 단백질 간의 상호작용에 주목했습니다. DAT2의 특정 변이인 dat2-s는 약해진 STA1과의 결합력을 다시 강화함으로써 스플라이싱 기능을 정상화하고 식물의 성장을 회복시켰습니다. 이는 특정 단백질 간의 물리적 상호작용이 식물의 기초 생리 기능을 유지하는 데 얼마나 결정적인지를 보여줍니다. 모델링을 통해서도 두 단백질의 결합 부위가 생장 조절의 핵심임을 확인할 수 있었습니다. 이러한 상호작용은 세포 내에서 '핵 스펙클'이라는 기능적 응집체를 형성하는 데 필수적입니다. 스플라이싱 인자들이 저장되는 장소인 핵 스펙클은 STA1과 DAT2의 결합이 강할수록 더 안정적으로 형성됩니다. 반대로 상호작용이 약해지면 인자들이 핵질로 분산되어 스플라이싱 활성이 떨어지게 됩니다. 즉, 단백질 간의 결합 세기가 세포 내 특정 구조물의 형성을 결정하고, 이것이 다시 유전자의 정상적인 발현을 조절하는 정교한 기작을 구성하고 있는 셈입니다. 고온 스트레스 상황에서도 이 기작은 동일하게 적용됩니다. 고온은 단백질 간의 상호작용을 약화시켜 핵 스펙클 형성을 방해하고, 이는 고온 내성 조절의 핵심인 HSFA1과 같은 유전자의 스플라이싱 결함을 초래합니다. 결과적으로 식물은 고온에 민감해지며 생존에 위협을 받게 됩니다. 따라서 스트레스 특이적 반응뿐만 아니라 스플라이싱과 같은 기초 생명 활동을 강화하고 안정화하는 것이 식물의 환경 적응력을 높이는 새로운 방안이 될 수 있음을 시사합니다.

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핵 내 전사인자와 유전자 발현억제 효소복합체 간의 상호작용이 히스톤 탈아세틸화에 미치는 영향

우리 몸의 세포는 단백질에 발생하는 다양한 화학적 변형인 번역 후 변형(PTM)을 통해 생명 현상을 정교하게 조절합니다. 그중에서도 유전자를 감싸는 히스톤 단백질의 아세틸화와 탈아세틸화는 크로마틴 구조의 응축과 이완을 결정하여 유전자 발현에 결정적인 영향을 미칩니다. 아세틸화는 DNA와 히스톤 사이의 인력을 약화시켜 유전자 정보를 읽기 쉬운 상태로 만들고, 반대로 탈아세틸화는 이 구조를 다시 단단하게 묶어 유전자의 활성을 억제하는 역할을 수행함으로써 세포 내 항상성을 유지합니다. 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC)는 암 환자에게서 과발현되는 경향이 있어 항암제 개발의 주요 타깃이 됩니다. 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC)는 단독으로 존재하기보다 다른 효소들과 복합체를 이루어 활동하는데, 대표적으로 탈메틸화 효소인 LSD1, 그리고 CoREST 단백질과 결합한 LHC 복합체가 있습니다. 이 복합체는 암세포의 증식과 밀접하게 연관되어 있으며, 최근에는 이를 동시에 억제하는 듀얼 저해제 연구를 통해 종양의 크기를 효과적으로 줄일 수 있음이 확인되기도 했습니다. 하지만 이 복합체의 구체적인 작동 기제는 여전히 미지의 영역입니다. 전사인자인 스네일(Snail)은 암 전이를 촉진하는 단백질로 잘 알려져 있습니다. 흥미롭게도 스네일(Snail)의 특정 영역인 SNAG 도메인은 히스톤 H3 단백질의 구조를 모방하여 LHC 복합체 내의 LSD1 효소 활성 부위에 결합하는 특성을 보입니다. 그동안 스네일(Snail)은 단순히 효소의 기능을 방해하는 저해제로만 여겨졌으나, 최근 연구에서는 이 전사인자가 효소 복합체와 뉴클레오좀 사이에서 더 복잡하고 능동적인 상호작용을 주도하며 유전자 발현 억제 과정을 조율하고 있음이 밝리고 있습니다. 연구팀은 스네일(Snail)이 LHC 복합체의 활성에 미치는 영향을 규명하기 위해 특정 부위만 아세틸화된 정밀한 뉴클레오좀을 제작했습니다. 대장균을 이용해 추출한 히스톤 옥타머와 고체상 펩타이드 합성법으로 만든 아세틸화 테일을 소타제(Sortase) 효소로 연결하는 반합성 전략을 사용했습니다. 이를 통해 K9, K14, K27 등 다양한 지점이 아세틸화된 뉴클레오좀을 확보했으며, 이를 활용한 실험 결과 스네일(Snail)이 존재할 때 탈아세틸화 효율이 수십 배까지 비약적으로 증가함을 확인하여 전사인자의 새로운 기능을 증명했습니다. 이러한 활성 촉진의 원인은 스네일(Snail)과 LHC 복합체, 그리고 뉴클레오좀 사이의 다중결합 상호작용에 있습니다. 스네일(Snail)은 DNA의 특정 서열인 E-box에 결합하는 동시에 SNAG 도메인을 통해 LSD1과 상호작용하며 효소 복합체를 뉴클레오좀 근처로 유인합니다. 또한 뉴클레오좀 표면의 음전하 영역인 '애시딕 패치(Acidic Patch)'와 LSD1의 특정 아미노산 잔기들이 정전기적 인력을 형성함으로써, 효소 복합체가 히스톤 테일에 효과적으로 접근하여 기능을 수행할 수 있도록 안정적인 가교 역할을 수행하게 됩니다. 복합체의 구체적인 구조를 파악하기 위해 연구팀은 초저온 전자현미경(Cryo-EM) 기술과 알파폴드 시뮬레이션을 병행했습니다. 결합의 불안정성을 극복하기 위해 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC)와 강하게 결합하는 하이드록삼산 작용기(Moiety)를 뉴클레오좀에 도입하여 복합체를 고정하는 전략을 세웠습니다. 이를 통해 얻은 고해상도 모델에서는 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC)가 히스톤 테일 바로 옆에 위치하여 탈아세틸화를 수행하는 모습이 관찰되었으며, 이는 전사인자가 효소를 특정 유전자 위치로 정확히 전달하고 안착시킴을 시각적으로 증명한 결과입니다. 이번 연구는 전사인자 스네일(Snail)이 단순히 유전자 발현을 억제하는 신호 전달자에 그치지 않고, 후성유전학적 변화를 일으키는 효소 복합체의 핵심적인 길잡이 역할을 한다는 사실을 규명했습니다. 단백질 간의 정교한 다중 상호작용을 통해 유전체 정보를 조절하는 원리를 밝혀낸 것은 향후 암을 비롯한 다양한 질병의 메커니즘을 이해하고 새로운 치료 전략을 세우는 데 중요한 토대가 될 것입니다. 복잡한 생명 현상을 분자 수준에서 제어할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 그 학술적 의의가 매우 큽니다.

핵 내 전사인자와 유전자 발현억제 효소복합체 간의 상호작용이 히스톤 탈아세틸화에 미치는 영향
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뇌의 복측 및 배측 경로에서 시공간에 걸쳐 음향 정보로부터 범주적으로 변화하는 음소와 말소리 억양의 역동적 표상에 대한 연구

일상적인 의사소통에서 우리는 말소리를 통해 언어적 의미뿐만 아니라 화자의 의도나 감정 같은 다층적인 정보를 자연스럽게 파악합니다. 물리적으로 말소리는 복잡하고 빠르게 변화하는 음향 신호의 연속이지만, 우리 뇌는 이를 개별 음소나 평서문과 의문문 같은 억양 범주로 명확하게 구분하여 인식합니다. 이러한 음향 정보의 범주화는 소리의 미세한 물리적 차이를 언어적으로 유의미한 단위로 변환하는 핵심적인 기제입니다. 하지만 실제 음향 신호는 물리적 특성이 서로 중첩되어 나타나는 경우가 많아, 가변적인 신호를 안정적인 범주로 치환하는 과정은 인간 인지의 신비로운 영역 중 하나로 남아 있었습니다. 말소리 처리는 대뇌의 광범위한 영역이 관여하는 복잡한 과정입니다. 청각 피질에서 시작된 신호는 두 가지 주요 경로를 통해 흐르는데, 하나는 측두엽을 따라 전방으로 향하며 의미를 파악하는 복측 경로이고, 다른 하나는 전두엽과 운동 피질로 이어지며 조음 정보와 연관되는 배측 경로입니다. 전통적으로 음소 처리는 주로 좌반구가 담당하고 억양 정보는 우반구가 더 깊이 관여한다고 알려져 왔습니다. 특히 운동 피질의 조음 프로그램이 단순히 말을 하는 기능에 그치지 않고, 타인의 말소리를 지각하고 범주화하는 과정에도 중요한 역할을 한다는 가설은 언어 신경과학 분야에서 꾸준히 논의되어 왔습니다. 말소리가 뇌에서 실시간으로 처리되는 과정을 정밀하게 살피기 위해 뇌자도(MEG) 기술이 활용됩니다. 뇌자도는 뇌 신경 활동에 따른 자기적 변화를 측정하여 밀리초 단위의 높은 시간 해상도를 제공하므로, 뇌의 역동적인 정보 흐름을 포착하기에 적합합니다. 연구에서는 음소와 억양의 변화를 정교하게 조절한 음향 연속체 자극을 제작하여 이를 분석에 활용했습니다. 예를 들어 특정 음절의 자음 성분을 미세하게 변화시키거나 평서문에서 의문문으로 억양을 단계적으로 조절하며 뇌 반응을 관찰하는 식입니다. 이를 통해 물리적인 음향 변화가 어느 시점에서 추상적인 언어 범주로 전환되는지를 시공간적으로 추적할 수 있습니다. 뇌 내 정보의 흐름을 분석한 결과, 말소리 정보는 계층적으로 구성된 네트워크를 따라 순차적으로 전이된다는 사실이 확인되었습니다. 청각 피질에서 시작된 정보는 측두엽의 각 영역으로 흐르는 동시에, 억양 정보의 경우 좌우측 운동 피질과 우측 전두 영역까지 광범위하게 전달됩니다. 흥미로운 점은 전두 영역이 정보 처리의 최종 종착역에 머물지 않고, 운동 피질이나 측두엽의 표상을 조절하는 역할을 수행한다는 것입니다. 또한 복측 경로와 배측 경로는 독립적으로 작동하지 않고 각 반구 내외에서 활발하게 상호작용하며 정보를 교환합니다. 이러한 유기적 구조는 우리가 복잡한 언어 신호를 빠르고 정확하게 수용하는 기반이 됩니다. 음향 정보가 범주적 표상으로 전환되는 과정은 매우 신속하고 병렬적으로 일어납니다. 분석에 따르면 음소의 물리적 특성이 감지된 후 약 50밀리초라는 짧은 시간 안에 범주적 정보로의 전환이 시작됩니다. 이는 뇌가 음향 처리를 완결한 뒤에 범주화를 시작하는 것이 아니라, 두 수준의 처리를 거의 동시에 수행함을 시사합니다. 이러한 병렬적 처리는 뇌의 복측 경로 전 영역에서 관찰되며, 가변적인 외부 자극 속에서 안정적인 언어적 의미를 실시간으로 추출해 내는 우리 뇌의 놀라운 효율성을 잘 보여줍니다. 즉, 물리적인 소리의 파형이 뇌에 도달함과 동시에 언어적 가치를 지닌 범주로 탈바꿈하는 역동적인 과정이 뇌 전체에서 펼쳐지는 것입니다. 음소와 억양은 음향적 특성을 범주화한다는 공통점이 있지만, 이를 처리하는 세부 영역에는 차이가 존재합니다. 음소의 범주적 표상은 주로 후측 측두 영역에 국한되어 나타나는 반면, 억양의 범주적 정보는 전방 측두엽을 넘어 운동 피질에까지 확장되어 나타납니다. 특히 우측 운동 피질은 억양의 미세한 음향적 차이보다는 범주적인 특성만을 전담하여 표상하는 흥미로운 양상을 보였습니다. 이는 우리가 말소리를 들을 때 뇌에 내재된 운동 프로그램이 억양을 파악하는 데 중요한 단서를 제공하고 있음을 의미합니다. 결과적으로 뇌는 말소리의 서로 다른 측면을 처리하기 위해 부분적으로 차별화된 신경학적 메커니즘을 유연하게 활용하고 있습니다. 결론적으로 말소리 이해는 뇌의 복측 경로와 배측 경로가 긴밀하게 협업하며 이뤄지는 고도의 지적 과정입니다. 이번 연구는 음향 정보와 범주 정보가 뇌 내에서 어떻게 공존하고 전이되는지를 시공간적으로 규명함으로써, 언어 지각의 다층적 구조를 명확히 드러냈습니다. 자연스러운 대화 상황에서 우리가 의식하지 못하는 사이, 뇌는 밀리초 단위의 정밀함으로 소리를 분해하고 의미를 재구성하며 상대방의 의도를 읽어냅니다. 이러한 발견은 향후 언어 장애의 원인 규명이나 인간의 인지 기능을 모사한 뇌 기반 인공지능 모델의 발전에도 중요한 시사점을 제공할 것입니다. 말소리라는 파동이 의미라는 실체로 변하는 경이로운 과정은 여전히 탐구할 가치가 무궁무진한 영역입니다.

뇌의 복측 및 배측 경로에서 시공간에 걸쳐 음향 정보로부터 범주적으로 변화하는 음소와 말소리 억양의 역동적 표상에 대한 연구
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유지효모 Yarrowia lipolytica를 이용한 고농도 레티날 생산 전략

레티노이드는 비타민 A와 그 유도체를 포함하는 물질군으로, 현재 화장품과 의약품 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 기존의 레티노이드 상업 생산은 석유 화학 기반의 복잡한 화학 합성 공정에 전적으로 의존해 왔으나, 이는 강산과 같은 가혹한 반응 조건과 고비용의 분리 정제 과정을 필요로 한다는 한계를 지니고 있습니다. 이러한 전통적인 방식의 단점을 해결하기 위해 미생물의 대사 네트워크를 인위적으로 재설계하여 원하는 화합물을 직접 생산하는 대사공학적 접근법이 주목받고 있습니다. 특히 특정 미생물의 유전적 특성을 정밀하게 조절함으로써 고부가가치 소재인 레티날을 효율적으로 대량 생산하려는 시도는 지속 가능한 바이오 산업의 미래를 결정짓는 핵심적인 연구 과제로 부상하고 있습니다. 성공적인 대사공학을 위해서는 최적의 숙주 미생물을 선택하는 것이 무엇보다 중요합니다. 야로위아 리폴리티카(Yarrowia lipolytica)는 비록 자체적으로 카로티노이드를 생성하지는 않지만, 이를 만들기 위한 전구체인 아세틸-CoA 풀이 매우 넓고 유전자 조작 도구가 잘 개발되어 있다는 장점이 있습니다. 또한 소수성 물질을 효과적으로 축적하고 보관할 수 있는 고유의 능력을 갖추고 있어 레티날과 같은 지질 친화적 물질 생산에 매우 적합한 숙주입니다. 연구진은 이러한 야로위아의 대사적 특성을 극대화하여 기존 화학 합성의 한계를 극복하고, 레티노이드 생산의 경제성을 확보하기 위한 최적의 생물학적 시스템을 구축하고자 하였습니다. 효율적인 레티날 생산을 위해 연구진은 먼저 자연계에서 기존보다 뛰어난 성능을 가진 BCO 효소를 발굴하는 데 집중했습니다. 계통수 분석을 통해 선별된 해양 박테리아 유래 효소는 기존에 사용되던 효소 대비 레티날 생산량을 약 45% 향상시키는 성과를 거두었습니다. 또한, 생성된 레티날이 다른 물질로 전환되는 것을 막기 위해 미생물 내의 특정 옥시도리덕테이스 유전자들을 선별하여 결손시키는 전략을 취했습니다. 이와 더불어 상위 대사 경로의 유전자들을 강화하고 특정 돌연변이를 도입함으로써 전체적인 대사 흐름을 레티날 생산 방향으로 강력하게 유도하였으며, 이는 세포 내 레티날 축적을 가속화하는 결정적인 발판이 되었습니다. 미생물 내부의 저장 공간을 확보하는 것 역시 최종 생산량 증대의 핵심 요소 중 하나입니다. 야로위아의 리피드 바디는 소수성 물질이 주로 저장되는 장소로, TAG 합성에 관여하는 유전자를 강력한 프로모터로 교체하여 이 공간을 확장함으로써 레티날의 저장 효율을 높일 수 있었습니다. 공정 측면에서는 추출 효율을 높이기 위해 아이소프로필 미리스테이트(IPM)라는 유기 용매를 새롭게 도입했습니다. IPM은 기존 용매보다 추출 성능이 우수할 뿐만 아니라 그 자체가 이미 화장품 원료로 널리 사용되고 있어, 향후 상업화 시 후속 공정을 간소화하고 단가를 절감할 수 있는 실질적인 이점을 제공합니다. 여기에 항산화제를 첨가하여 생성된 레티날의 안정성까지 확보했습니다. 최종적으로 진행된 유가 배양 실험에서 통기량을 유동적으로 조절하는 다이나믹 방식을 적용한 결과, 레티날 생산량은 이전 단계보다 비약적으로 증가하는 양상을 보였습니다. 연구 결과 2,253 mg/L라는 세계 최고 수준의 레티날 타이터를 달성하였으며, 이는 미생물 기반의 레티노이드 생산 가능성을 입증한 획기적인 성과로 평가받고 있습니다. 이러한 통합적인 대사공학적 접근과 공정 최적화 기술의 결합은 향후 비타민 A 생산 방식을 보다 친환경적이고 효율적인 발효 공정으로 전환하는 데 크게 기여할 것입니다. 고효율 균주 개발과 혁신적인 추출 기술의 시너지는 미래 바이오 소재 시장에서 강력한 경쟁력을 확보하는 중요한 이정표가 될 전망입니다.

유지효모 Yarrowia lipolytica를 이용한 고농도 레티날 생산 전략
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주사전자현미경으로 긴 DNA 위 단백질의 위치를 읽다

DNA와 단백질의 상호 작용을 관찰하는 것은 유전체의 기능을 이해하는 데 필수적인 과정입니다. 기존의 TEM이나 AFM은 높은 해상도를 제공하지만, 긴 DNA 분자를 넓은 영역에서 안정적으로 분석하는 데는 기술적 한계가 존재했습니다. 반면 형광 이미징은 넓은 영역 관찰이 가능하나 DNA 경로 자체를 직접 보는 것이 아니라 신호를 바탕으로 재구성해야 한다는 단점이 있습니다. 연구팀은 주사전자현미경(SEM)을 활용해 이 간극을 메우고자 했습니다. SEM은 실리콘 웨이퍼의 평탄한 표면과 마이크로플루이딕 기술을 결합하여, 긴 DNA의 세부 구조를 고해상도로 직접 관찰하면서도 넓은 시료 표면을 자유롭게 탐색할 수 있는 강력한 플랫폼을 제공합니다. SEM에서 DNA를 시각화하기 위해 연구팀은 중금속 염색법과 PVP 폴리머를 도입했습니다. 란타넘족 계열 시약을 이용해 DNA 백본에 음성 대조(negative contrast)를 형성함으로써 DNA가 검은 선으로 나타나게 했습니다. 여기에 단백질이 결합한 부위에 PVP를 처리하면 유기물 대조(organic contrast)가 추가되어 해당 영역이 주변보다 더욱 뚜렷하고 어둡게 관찰됩니다. 이러한 방식은 별도의 복잡한 이미지 재구성 과정 없이도 하나의 SEM 이미지 안에서 DNA의 전체적인 형태와 단백질의 결합 신호를 동시에 포착할 수 있게 해줍니다. 이는 단일 분자 수준에서 구조적 정보를 직접 얻고 나아가 단백질의 분포까지 정밀하게 읽어낼 수 있는 획기적인 방법입니다. 연구팀은 람다 DNA와 dCas9 시스템을 통해 SEM 기반 위치 분석의 정확도를 검증했습니다. 미리 설계된 특정 위치에 단백질을 결합시킨 뒤 SEM으로 관찰한 결과, 예상된 유전체 좌표와 실제 측정된 위치가 매우 높은 일치도를 보였습니다. 특히 형광 현미경과 비교했을 때 SEM은 위치 정확도와 정밀도 면에서 약 3배 이상의 우수한 성능을 나타냈습니다. 321 염기쌍(base pair) 정도의 짧은 거리도 고해상도 이미징을 통해 명확히 구분할 수 있었으며, 이는 기존의 초해상도(super-resolution) 형광 기술과 대등하거나 그 이상의 세부 구조 판독 능력을 갖추었음을 시사합니다. 이를 통해 SEM이 서열 특이적인(sequence-specific) 단백질 결합 위치를 정량적으로 읽을 수 있음을 확인했습니다. 연구의 범위를 확장하여 실제 인간 유전체 DNA 위에서의 국소적인 단백질 신호를 검출하는 실험도 수행되었습니다. 알루(Alu) 서열을 표적으로 하는 dCas9 신호는 매우 작아 육안으로 일관되게 판별하기 어려울 수 있으나, 머신 러닝 기반의 분석 모델을 도입하여 이를 해결했습니다. DNA 백본을 따라 추출한 강도 프로필(intensity profile)을 인공지능이 학습하고 분석함으로써, 긴 유전체 위에 흩어져 있는 단일 단백질 특징(feature)들을 자동으로 정밀하게 찾아낼 수 있게 되었습니다. 이는 대량의 유전체 데이터를 고해상도로 분석할 수 있는 자동화된 분석 플랫폼으로서의 가능성을 입증한 성과이며, 조밀한 영역뿐만 아니라 국소화된 특징까지 분석 범위를 넓혔습니다. 현재 연구팀은 서열 정보를 모르는 유전체 DNA 조각이 전체 유전체 중 어디에서 유래했는지 파악하기 위한 후속 연구를 진행 중입니다. 서열 특이적으로 결합하는 나노입자(nanoparticle) 랜드마크를 DNA 위에 도입하여 유전체상의 좌표를 확인하는 기술을 개발하고 있습니다. 이 랜드마크를 활용하면 단백질이 결합한 위치를 실제 유전체 좌표로 정확하게 매핑할 수 있으며, 동시에 DNA의 루핑과 같은 고차원적인 구조 변화도 함께 관찰할 수 있습니다. 이러한 단일 분자 플랫폼은 향후 유전체의 기능적 구조와 단백질 상호 작용의 지도를 그리는 데 있어 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 최종적으로는 위치를 알지 못하는 유전체 DNA의 형태 매핑(morphology mapping)까지 확장하는 것이 목표입니다.

주사전자현미경으로 긴 DNA 위 단백질의 위치를 읽다
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인간 및 비인간 영장류의 다능성 줄기세포로부터 정원 및 정모세포의 체외 제작

생명체의 가장 근본적인 목적은 자신의 유전 정보를 다음 세대로 전달하는 것이며, 생식세포는 이 막중한 임무를 수행하는 유일한 매개체입니다. 감수 분열을 통해 생물학적 다양성을 확보하고 진화의 중심축 역할을 하는 생식세포의 품질은 개체의 생식 능력뿐만 아니라 자녀의 건강까지 결정짓는 핵심 요소입니다. 하지만 선천적인 유전 질환이나 항암 치료의 부작용으로 생식세포가 결여된 환자들에게 기존의 보조 생식 기술은 한계가 있었습니다. 이를 극복하기 위해 줄기세포로부터 체외에서 생식세포를 생성하는 기술은 현대 재생 의학의 거대한 도전 과제로 남아 있습니다. 인간의 초기 배아 발달 과정은 샘플 확보의 어려움으로 인해 오랫동안 미지의 영역인 '블랙박스'로 여겨졌습니다. 과거 연구에서는 줄기세포를 이용한 오가노이드 배양을 통해 생식세포 분화를 시도했으나, 영양 공급과 혈관 형성의 한계로 인해 획득할 수 있는 세포의 수가 극히 적었습니다. 연구팀은 이를 극복하고자 면역 결핍 마우스의 신장 캡슐에 조직을 이식하는 시스템을 도입했습니다. 이 방식을 통해 충분한 영양분과 원활한 혈류를 공급받은 결과, 기존 방식보다 약 10배 이상의 높은 효율로 생식세포를 획득하는 데 성공하며 대량 분석의 기틀을 마련했습니다. 이식 후 성장한 조직 내부에서는 세르톨리 세포와 줄기세포 유래 생식세포가 정교한 정세관 구조를 형성하며 안착했습니다. 조직학적 분석 결과, 정세관 사이에는 남성 호르몬을 생성하는 라이딕 세포와 혈관 등이 적절히 배치되어 실제 정소와 유사한 미세 환경이 조성되었음을 확인했습니다. 특히 이식 6개월 후에는 정원세포 마커를 발현하는 수많은 세포가 관찰되었으며, 이는 체외 환경에서도 적절한 지지 구조와 신호 체계가 갖춰진다면 인간 줄기세포가 복잡한 조직 내에서 안정적으로 발달할 수 있음을 보여주는 중요한 증거가 되었습니다. 연구팀은 단일 세포 RNA 시퀀싱을 통해 줄기세포가 원시 생식세포에서 정원세포, 그리고 초기 감수 분열 단계인 정모세포까지 발달하는 궤적을 정밀하게 추적했습니다. 실제 인체 내 발달 과정과 비교했을 때, 이번 시스템을 통해 유도된 세포들은 유전자 발현 패턴에서 매우 높은 유사성을 보였습니다. 비록 후기 감수 분열 단계로 넘어가는 과정에서 일부 유전자의 발현 차이가 발견되기도 했지만, 이는 체외(in vitro) 시스템이 실제 생체 시계와 유사하게 작동하고 있음을 입증하는 결과입니다. 이러한 데이터는 향후 불임 치료를 위한 세포 공급원 확보에 중요한 지표가 될 것입니다. 유전 정보의 정체성을 유지하는 후성유전학적 변화 또한 성공적으로 재현되었습니다. 생식세포 발달의 핵심인 글로벌 DNA 탈메틸화가 사춘기 이전 수준인 약 10%까지 도달했으며, 유전체를 방어하는 특정 스몰 RNA 분석을 통해서도 유의미한 결과가 도출되었습니다. 특히 이번 연구에서 관찰된 물질은 이동성 유전 인자인 트랜스포존을 억제하는 기능을 갖추고 있어, 체외에서 생성된 생식세포가 유전적 안정성을 확보하고 있음을 시사합니다. 이는 단순히 형태적인 유사성을 넘어 기능적으로도 성숙한 생식세포로 향하는 중요한 발달 단계를 통과했음을 의미합니다. 시스템의 신뢰성을 바탕으로 특정 핵심 유전자의 기능을 검증하는 연구도 병행되었습니다. 특정 유전자를 제거한 줄기세포 라인을 이용한 실험에서, 이들 유전자가 초기 생식세포의 정체성을 유지하고 세포 사멸을 막는 데 필수적인 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한 비타민 A 대사물인 레티노산(Retinoic acid) 신호 전달이 정원세포의 분화와 감수 분열 개시에 결정적인 트리거로 작용함을 약물 처리 실험을 통해 입증했습니다. 이러한 기능적 연구는 인간 생식세포 발달의 분자적 메커니즘을 이해하고 제어할 수 있는 가능성을 열어주었습니다. 마지막으로 연구팀은 이 기술을 영장류인 리서스 마카크 모델로 확장하여 임상 적용 가능성을 타진했습니다. 인간과 유사한 유전자 발현 궤적을 보인 원숭이 모델에서의 성공은 체외 생성 생식세포의 수정 능력과 안전성을 검증하는 데 핵심적인 가교 역할을 할 것입니다. 이번 연구는 고효율의 생산 시스템을 통해 블랙박스로 남아있던 인간 생식 과정을 정밀하게 재현하고, 유전자 교정과 같은 첨단 기술을 접목할 수 있는 토대를 마련했습니다. 이는 궁극적으로 난임과 불임의 근본적 치료뿐만 아니라 차세대 재생 의학의 발전에 획기적인 전환점이 될 것으로 기대됩니다.

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가벼운 접촉이 통증으로 바뀌는 순간: TWIK-1이 조절하는 촉각과 신경병증성 통증

인간의 뇌는 외부 세계를 직접 경험할 수 없으며, 오직 감각 뉴런이 전달하는 전기적 신호를 해석함으로써 세상을 인지합니다. 피부에 존재하는 다양한 감각 뉴런들은 기계적 압력이나 온도 변화와 같은 외부 자극을 포착하여 척수로 전달하는 역할을 합니다. 척수 내의 복잡한 신경 회로는 이러한 정보를 전처리하여 뇌로 보낼 최종 신호를 결정하는데, 이 과정에서 이온 채널은 뉴런의 휴지기 막전위와 활동 전위 발생 빈도를 조절함으로써 감각 정보 전달의 양상을 결정짓는 핵심적인 요소로 작용합니다. K2P 채널은 뉴런의 기저 흥분성을 결정하는 중요한 칼륨 채널군으로, 그중 TWIK-1 채널은 신경계 전반에 걸쳐 널리 발현되어 있습니다. 하지만 그동안 실험실 환경에서 기능적인 특징이 뚜렷하게 관찰되지 않아 오랫동안 '침묵하는 채널'로 여겨져 왔습니다. 최근 연구에 따르면 TWIK-1 채널은 성상교세포뿐만 아니라 배근신경절의 감각 뉴런에서도 중요한 기능을 수행하며, 특히 신경병증성 통증과 같은 병리적 상태에서 발현이 역동적으로 변화한다는 사실이 밝혀지면서 체성감각계에서의 역할이 새롭게 조명받고 있습니다. 연구팀은 TWIK-1 채널의 생리적 기능을 규명하기 위해 유전자 결손 마우스를 제작하여 다양한 행동 실험을 수행했습니다. 실험 결과 TWIK-1 채널이 결손된 마우스는 일반적인 마우스에 비해 기계적 자극에 대한 반응 역치가 높아져 민감도가 감소하는 양상을 보였습니다. 이는 부드러운 붓 자극이나 질감 식별과 같은 무해한 기계적 감각에서 뚜렷하게 나타났습니다. 반면 열이나 냉각, 캡사이신과 같은 다른 감각 모달리티에 대해서는 정상적인 반응을 유지함으로써 TWIK-1 채널이 특정 기계적 감각 회로에 특이적으로 관여함을 확인했습니다. 흥미롭게도 TWIK-1 채널의 기능은 해부학적 위치에 따라 서로 다른 방식으로 나타났습니다. 정상적인 상태에서 척수의 억제성 뉴런에 존재하는 TWIK-1 채널을 제거했을 때만 기계적 민감도가 감소하는 현상이 재현되었습니다. 일반적인 칼륨 채널의 결손이 통증을 증가시키는 것과 달리, 척수 억제성 뉴런의 TWIK-1 채널이 사라지면 해당 뉴런의 흥분성이 높아져 전체적인 억제성 긴장도가 강해지게 됩니다. 결과적으로 외부의 기계적 자극이 뇌로 전달되는 과정이 억제되어 민감도가 낮아지는 반전된 행동 표현형이 나타나게 된 것입니다. 만성 압박 손상을 이용한 신경병증성 통증 모델에서는 척수와는 또 다른 양상의 결과가 도출되었습니다. 신경 손상 이후 일반 마우스는 극심한 통증 과민 상태가 오랫동안 지속되었으나, TWIK-1 채널 결손 마우스는 시간이 지남에 따라 기저 수준으로 통증 역치가 회복되는 모습을 보였습니다. 이러한 회복 기전은 척수가 아닌 배근신경절에 위치한 TWIK-1 채널과 밀접한 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 이는 동일한 이온 채널이라 할지라도 정상 상태와 질병 상태라는 맥락에 따라 작용 부위와 기능이 달라질 수 있음을 시사합니다. 생체 내 칼슘 이미징과 벌크 RNA 시퀀싱을 통한 정밀 분석은 이러한 현상을 과학적으로 뒷받침합니다. 신경 손상 시 일반 마우스의 배근신경절 뉴런은 과도한 활성화를 보이지만, TWIK-1 채널이 결손된 마우스에서는 이러한 감각 뉴런 집단의 과흥분 상태가 현저히 억제되었습니다. 또한 유전자 분석 결과 TWIK-1 채널의 결손이 신경 손상 후 발생하는 염증 반응과 특정 통증 관련 신호 전달 경로의 상향 조절을 효과적으로 차단하는 것으로 나타났습니다. 이는 TWIK-1 채널이 병리적 환경에서 통증 신호를 강화하는 핵심 매개체임을 입증하는 결과입니다. 이번 연구는 특정 이온 채널의 기능을 이해할 때 분자 자체의 특성뿐만 아니라 세포의 유형, 신경 회로 내의 위치, 그리고 생리적 상태를 종합적으로 고려해야 함을 잘 보여줍니다. 8년여에 걸친 장기 프로젝트를 통해 TWIK-1 채널이 체성감각계에서 수행하는 이중적이고 복합적인 역할을 규명해 냈으며, 이는 만성 신경병증성 통증의 치료를 위한 새로운 타깃을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있습니다. 이러한 기초 과학적 성과는 향후 난치성 감각 질환의 메커니즘을 이해하고 정밀한 치료제를 개발하는 데 중요한 밑거름이 될 것입니다.

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머신러닝 기반 미생물 세포 엔지니어링을 통한 인간 제I형 콜라겐 단편 생산 및 조직공학적 활용

콜라겐은 신체의 결합 조직을 구성하는 핵심 단백질로 피부 건강 증진과 관절 보호 등 다양한 목적으로 제약 및 화장품 산업에서 널리 활용되고 있습니다. 하지만 현재 주로 사용되는 동물성 콜라겐은 추출 과정이 복잡하고 윤리적인 문제를 야기할 수 있으며, 분자량을 정교하게 조절하기 어렵다는 단점이 존재합니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 합성생물학 기술을 활용하여 미생물 시스템 내에서 인간 제1형 콜라겐을 직접 생산하려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 미생물 시스템을 통한 생산은 세포 파쇄 없이 단백질을 밖으로 배출하는 분비 기술을 도입할 때 공정 비용과 시간을 크게 절감할 수 있습니다. 본 연구에서는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주를 활용하여 인간 제1형 콜라겐 유전자를 분석하고 발현 전략을 수립하였습니다. 특히 박테리아 시스템에서 불필요한 영역을 제거하고 95, 51, 33 kDa 등 다양한 크기의 콜라겐을 디자인하여 실험한 결과, 분자량이 작을수록 분비 생산에 유리하다는 사실을 확인하며 최적화의 토대를 마련하였습니다. 효율적인 콜라겐 분비를 위해서는 프로모터보다 시그널 펩타이드의 역할이 결정적이라는 점이 확인되었습니다. 연구진은 네이티브 시그널 펩타이드의 한계를 넘어서기 위해 파이썬을 활용한 랜덤 시퀀스 제너레이션으로 약 100만 개의 합성 시그널 펩타이드 라이브러리를 구축하였습니다. 이들은 아미노산 서열의 생화학적 특성에 따라 클러스터링되었으며, 이를 통해 생산량이 높은 서열이 존재할 수 있는 그룹을 미리 예측하고 실험적으로 검증함으로써 시그널 펩타이드 최적화의 가능성을 열었습니다. 실험 데이터의 복잡성을 해결하기 위해 단백질 언어 모델인 ESM-2와 같은 머신러닝 기법이 도입되었습니다. 수천 차원의 벡터 데이터를 2차원으로 축소하여 분석한 결과, 생산성이 높은 서열들이 특정 공간 내에 밀집되어 있다는 유의미한 패턴을 발견할 수 있었습니다. 이를 바탕으로 로지스틱 회귀 등 다양한 분류 모델을 결합하여 최적의 분비 서열을 예측하였으며, 실제 실험을 통해 기존보다 생산량이 크게 향상된 합성 시그널 펩타이드를 성공적으로 발굴하며 인공지능 기술의 효용성을 입증하였습니다. 최적화된 균주를 이용한 배양 공정 결과, 최종적으로 리터당 857밀리그램이라는 높은 생산량을 달성하였습니다. 이렇게 생산된 인간 제1형 콜라겐은 구조 분석을 통해 선형 섬유 형성 능력을 확인하였으며, 인간 지방 유래 줄기세포를 이용한 배양 실험에서도 뛰어난 세포 증식 효과를 보여주었습니다. 이는 미생물 시스템과 머신러닝의 결합이 고기능성 생체 재료를 효율적으로 생산하는 혁신적인 경로가 될 수 있음을 시사하며, 향후 조직 공학 등 다양한 의료 분야로의 확장 가능성을 보여줍니다.

머신러닝 기반 미생물 세포 엔지니어링을 통한 인간 제I형 콜라겐 단편 생산 및 조직공학적 활용
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뇌-신경삭 통합 커넥톰에 걸친 분산 제어 회로

최근 초파리 중추신경계의 전체적인 신경망 지도인 '커넥톰'이 완성되었습니다. 이는 약 16만 개의 뉴런과 3억 개의 시냅스 연결을 포함하는 방대한 데이터 세트로, 뇌와 복측 신경삭을 잇는 최초의 통합 지도라는 점에서 큰 의미를 가집니다. 마치 우리가 구글 지도를 통해 길을 찾듯, 이 정밀한 배선도는 각 뉴런의 형태와 연결성뿐만 아니라 세포 유형과 신경전달물질 같은 생물학적 정보를 상세히 담고 있습니다. 이를 통해 연구자들은 지각, 학습, 기억 등 복잡한 생명 현상을 관장하는 신경 회로의 작동 원리를 더욱 구체적인 가설을 세워 검증할 수 있는 강력한 토대를 마련하게 되었습니다. 이 거대한 데이터를 구축하기 위해 연구진은 고도의 기술력과 막대한 노력을 투입했습니다. 투과 전자 현미경으로 촬영된 7,000개 이상의 섹션 이미지를 3차원으로 정렬하고, 인공지능 알고리즘을 활용해 개별 세포와 시냅스를 자동으로 식별했습니다. 특히 곤충 특유의 다발성 시냅스 구조까지 정밀하게 포착해냈습니다. 자동화 기술의 한계를 극복하기 위해 155명으로 구성된 전문가 팀이 3년 반 동안 수작업으로 오류를 수정하며 정밀도를 높였습니다. 총 38.6인년에 달하는 이 헌신적인 과정을 통해, 비로소 실제 생물학적 구조와 일치하는 신뢰도 높은 신경계 지도가 탄생할 수 있었습니다. 재구성된 뉴런들을 분류하기 위해 형태학적 유사성과 연결성을 동시에 고려하는 정교한 분석 기법이 사용되었습니다. NBLAST를 통한 기하학적 구조 비교와 코사인 유사도를 이용한 시냅스 연결 패턴 분석을 결합하여, 개별 뉴런에 정확한 세포 유형을 부여했습니다. 이러한 분류 과정을 거쳐 신체 각 부위와 연결된 감각 신경 및 운동 신경의 목록을 체계화할 수 있었습니다. 이는 뇌에서 내려오는 명령과 몸에서 올라오는 감각 피드백이 서로 어떻게 상호작용하는지 이해하기 위한 필수적인 단계입니다. 이러한 체계적 분류는 복잡한 중추신경계 내에서 정보가 흐르는 구체적인 경로를 파악하는 핵심 열쇠가 됩니다. 연구팀은 신경망 내에서 정보가 전달되는 원리를 파악하기 위해 '영향력 지표'라는 모델을 도입했습니다. 이를 통해 특정 감각 뉴런의 자극이 다른 뉴런에 미치는 반응을 수치화한 결과, 대부분의 정보 처리가 동일한 해부학적 부위 내에서 국소적으로 이루어지는 피드백 루프를 형성하고 있음을 발견했습니다. 동시에 목을 통과하는 하행 및 상행 뉴런들이 이러한 국소 회로들을 유기적으로 연결하고 조율한다는 사실도 확인되었습니다. 흥미롭게도 하행 및 상행 뉴런들은 엄격히 구분되기보다 기능적으로 서로 섞여 있으며, 수분 상태 조절이나 비행 제어와 같은 특정 행동 목적에 따라 거대한 슈퍼클러스터를 형성하고 있었습니다. 초파리의 행동 제어 구조는 로봇 공학의 '하위 개념 구조'와 유사한 특징을 보입니다. 이는 센서와 액추에이터가 결합된 저수준의 국소 루프들이 존재하고, 고수준의 행동 모듈이 이를 통합하거나 재정의하며 복잡한 행동을 만들어내는 방식입니다. 예를 들어 위협 반응 모듈은 안정적인 방어 자세를 위해 보행 관련 뉴런을 억제하는 등 행동 간의 충돌을 조율합니다. 결과적으로 초파리의 커넥톰은 행동 제어가 단순히 중앙 집중적인 것이 아니라 고도로 분산되어 있으며, 동시에 계층적인 상호작용을 통해 정교한 생존 전략을 수행하고 있음을 보여줍니다. 이번 연구는 복잡한 신경계의 설계 원리를 이해하는 데 새로운 이정표가 될 것입니다.

뇌-신경삭 통합 커넥톰에 걸친 분산 제어 회로
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왜 머리카락이 스치면 간지러울까? 기계적 가려움의 신경회로

기계적 가려움(mechanical itch)은 깃털이나 머리카락 같은 가벼운 자극에 의해 유발되는 독특한 감각입니다. 연구진은 쥐의 귀 뒤쪽이나 발가락 사이처럼 특정 부위에 분포하는 '솜털(vellus-like hair)'이 이러한 가려움을 유발하는 핵심 요소임을 발견했습니다. 일반적인 털과 달리 멜라닌 색소가 적고 얇은 이 솜털들은 인체의 솜털과도 유사한 특성을 지닙니다. 이러한 특정 부위의 털 분포는 우리가 왜 특정 지점에서 더 민감하게 가려움을 느끼는지 설명하는 중요한 단서가 됩니다. 기계적 가려움을 전달하는 신경학적 통로를 추적한 결과, TLR5-Calb1 양성 DRG 뉴런이 결정적인 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 뉴런들은 솜털을 세로 방향으로 감싸는 독특한 종방향 말단 형태를 취하고 있어, 미세한 기계적 자극을 효과적으로 포착할 수 있습니다. 반면 일반적인 굵은 털에는 이러한 신경 구조가 다르게 분포하여 가려움보다는 일반적인 촉각을 전달하는 데 집중합니다. 이는 우리 몸이 자극의 종류에 따라 분절화된 감각 수용 체계를 갖추고 있음을 보여줍니다. 연구팀은 광유전학 기술과 칼슘 이미징을 활용해 이 뉴런들의 기능을 정밀하게 검증했습니다. 솜털이 집중된 부위에 빛 자극을 주었을 때 쥐는 즉각적으로 긁거나 깨무는 가려움 반응을 보였지만, 일반 털 부위에서는 반응이 나타나지 않았습니다. 또한 이 특정 뉴런을 제거하거나 활성을 억제했을 때 기계적 가려움 반응만 선택적으로 사라지는 것을 확인했습니다. 이러한 결과는 TLR5-Calb1 양성 뉴런이 기계적 가려움을 뇌로 전달하는 전용 통로임을 입증하는 강력한 증거가 됩니다. 이 메커니즘은 실험용 쥐를 넘어 인간에게도 유사하게 적용될 가능성이 높습니다. 인간의 DRG 뉴런을 대상으로 한 실험에서도 TLR5-Calb1 양성 뉴런이 발견되었으며, 특정 자극제에 반응하는 양상이 관찰되었습니다. 이는 아토피 피부염과 같은 만성 가려움증 환자들이 겪는 극심한 고통을 이해하고 치료하는 데 중요한 전환점이 될 수 있습니다. 특히 특정 수용체인 Piezo2가 이 과정에서 핵심적인 기계적 자극 감지기 역할을 한다는 사실은 향후 치료제 개발의 구체적인 표적을 제시합니다. 최종적으로 감각 신호는 척수 내의 UCN3 양성 뉴런으로 직접 전달됩니다. 연구 결과, TLR5-Calb1 양성 뉴런은 중간 단계 없이 UCN3 뉴런과 일대일로 연결되는 '단일 시냅스(monosynaptic)' 구조를 형성하고 있었습니다. 평소에는 다른 억제성 뉴런들이 이 경로를 제어하여 과도한 가려움을 막아주지만, 특정 자극이 이 균형을 깨뜨리면 우리는 가려움을 느끼게 됩니다. 이처럼 말초의 미세한 털에서 시작된 자극이 척수의 전용 회로를 거쳐 인지되는 전 과정은 생명체의 감각 시스템이 얼마나 정밀하게 설계되어 있는지를 잘 보여줍니다.

왜 머리카락이 스치면 간지러울까? 기계적 가려움의 신경회로
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