국내 연구진이 몸 안 신호전달체계에서 일어나는 미세한 단백질 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 초고감도 분자센서를 개발했다.

20일 한국과학기술연구원(KIST) 센서시스템연구센터 서민아 박사팀은 서울대 박태현 교수팀과 함께 단백질 구조변화를 직접 관찰할 수 있는 초고감도 테라헤르츠(THz) 분자센서를 개발, 빛과 색까지 구분할 수 있는 인공 광수용체를 이용해 상온에서 미량의 샘플로 신호를 검출할 수 있음을 검증했다고 밝혔다.

광-기반 바이오센서 기술은 비침습적인 방법으로 생화학 분자를 측정할 수 있는 장점이 있으며, 테라헤르츠파는 침투 깊이가 긴 파장이면서 광-에너지 값이 낮아 안전한 것으로 알려져 새로운 타입의 광센서로 주목받고 있다.

▲ (왼쪽) 빛을 흡수해 명암을 구분하는 광수용체(Rhodopsin)를 포함하는 나노 크기 소포체 (vesicle)가 테라헤르츠 분자 센서의 센싱칩 부분에 도포된 모습. (오른쪽 위) 광수용체의 11-cis 분자 구조가 외부의 빛 자극에 의해 all-trans 형태로 분자식이 바뀌는 모식도. (오른쪽 아래) 광수용체 샘플에서 분자 구조의 변화(conformational change)가 일어날 때 테라헤르츠 메타물질 기반 분자 센서를 이용해 측정하는 테라헤르츠 신호의 외부 광자극에 대한 민감도 스펙트럼

연구팀은 인간 광수용체 단백질 중 주로 명암을 구분하는 간상세포를 이용해 개발한 인공 광수용체가 빛을 흡수해 분자구조 변화를 일으킬 때 이를 테라헤르츠 메타물질로 증폭된 신호를 포착, 그 특성을 분석하는 초고감도 분자센서를 개발했다.

연구에 사용된 인공 광수용체는 앞서 KIST 김재헌 박사팀이 손상된 망막을 대체하기 위한 인공망막 연구를 통해 개발한 것으로, 실제로 사람의 눈과 유사한 방식으로 빛은 물론 색깔까지 감지할 수 있다.

연구팀은 테라헤르츠 메타물질 기반 광-바이오센서 기술로 고민감도, 고선택성 분자 검출 플랫폼을 제작, 테라헤르츠 전자기파 대역에 특이 스펙트럼이 있는 ppm(ng/ml) 수준의 극미량 분자를 매우 높은 감도로 측정하는 데 성공했다.

테라헤르츠파는 물 분자에 민감해 물 등 액체에 녹아있는 저농도 분자를 식별하는 데 한계가 있으나, 연구팀은 특정 계면으로부터만 신호를 취하는 수직반사 형태의 테라헤르츠 분광법을 개발해 물-흡수에 의한 신호 감소의 영향을 최소화했다.

연구팀은 개선된 테라헤르츠 분광법과 메타물질 센싱칩을 인공 광수용체의 광-반응성 확인에 적용, 빛을 받을 때 일어나는 단백질 분자구조의 변형을 테라헤르츠 신호의 변화율로 직접 측정해 정량화하는 데 성공했다.

서민아 박사는 "인체 내 신호전달 체계에 기여하는 자극에 대한 세포 반응은 대부분 막 단백질 구조 변화로부터 시작된다"며 "이 연구는 향후 인공 광수용체 뿐 아니라 다양한 인체 세포들에서 기능 조절 연구에 적용이 가능할 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지인 '센서와 액추에이터 B(Sensors and Actuators B: Chemical) 최신호에 게재됐다.

과학팀  press@jeonpa.co.kr

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