나노기술 및 정책 정보

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토호쿠(東北)대학 학제과학프런티어연구소, 가나자와(金沢)대학 나노생명과학연구소, 교토(京都)대학 화학연구소의 공동 연구그룹이 세포에 손상을 주지 않고 세포 표면의 나노 형상을 계측할 수 있는 ‘주사형 이온 컨덕턴스 현미경(Scanning Ion Conductance Microscopy, SICM)’과 초점면에서의 표식 분자 동태를 가시화할 수 있는 ‘스피닝 디스크식 공초점 레이저 주사현미경’을 융합한 장비를 개발, 막 투과성 펩타이드의 유입 영역에서 발생하는 형상 변화를 직접 관찰하고 그 상세 내용을 규명함.

세포 표면을 덮는 막(세포막)은 빛으로는 관찰할 수 없는 미세한 크기이며, 세포와 외부 환경 사이의 물질 교환을 제어함. 이 세포막의 제어를 돌파하여 약물 전달 등 특정 약물 및 물질을 세포 내로 운반하는 도구의 하나로서 세포막을 투과할 수 있는 펩타이드(막 투과성 펩타이드)가 이용되고 있음. 그러나 나노 스케일에서 일어나는 세포막에서 물질의 투과에 관한 형태 변화를 관찰하기 어려웠으며, 막 투과성 펩타이드의 중요성에 반해 세포 내로 유입되는 과정의 내용과 세포막의 형태에 미치는 영향은 완전히 이해되지 못했음.

연구진은 ‘SICM’와 ‘스피닝 디스크식 공초점 레이저 주사현미경’을 결합 장치를 개발하여 펩타이드의 유입을 관찰하면서 유입 영역의 형상 변화를 측정할 수 있게 함. 연구 결과, 펩타이드를 첨가한 후 세포 표면에 형성되는 수 μm의 혹 모양 구조 주변에서 펩타이드가 세포 내로 직접 투과하여 확산되는 모습이 형광을 통해 확인되었으며, 이 혹 옆에 200nm 정도의 함입(陷入) 구조가 발견됨. 혹 구조는 세포 내에 펩타이드가 유입되지 않는 세포에서는 거의 관찰되지 않아, 함입 구조와 유입 사이의 강한 상관관계가 나타남. 또한, 세포 실험 시에 혼입을 평가하는 데 널리 사용되는 형광 표식이 막 투과성 펩타이드에 의한 세포 표면의 형상 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀짐.

본 연구 성과는 막 투과성 펩타이드의 유입 메커니즘에 관한 새로운 이해를 줄뿐 아니라 향후 신약 개발 등에 응용될 것으로 기대됨. 개발된 막 투과성 펩타이드뿐만 아니라 화학 물질의 혼입 등 세포막에서 발생하는 다양한 현상을 관찰·평가할 수 있음.

본 연구 성과는 Analytical Chemistry(Nanoscale Visualization of Morphological Alteration of Live-Cell Membranes by the Interaction with Oligoarginine Cell-Penetrating Peptides)에 게재됨.