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나노 스케일에서 액체-액체 상분리 과정에 대해 정량적인 표면 특징 분석을 실행하는 기술 개발

상 변화는 물질의 특성(예를 들면 물, 얼음과 수증기 3개 위상 간의 전환)으로 물리학 및 일상생활 속에서 잘 알려져 있으며, 상 변화는 일종의 물리 현상에 속하지만 최근 연구를 통해 상 변화는 생명 활동 중에서 중요한 역할을 한다는 점이 밝혀짐.

세포 속에서 상 변화는 생물 대 분자(단백질과 RNA) 액체-액체 상 분리(Liquid-liquid phase separation, LLPS) 형식으로 발생하며, 유사한 현상에 대해 고분자 화학과 소프트 물질 물리 등의 분야에서 이미 100년 가까운 연구가 실행되었음.

세포 속에서의 "액체-액체 상 분리" 현상은 2009년에 명확히 제시되면서 최근 생명과학 분야에서의 주요한 새로운 이슈가 되고 있음. 액체-액체 상 분리는 세포 내부에 여러 종류의 막이 없는 포피(包被)를 유도하여 막이 없는 세포기를 형성한다는 점을 입증하였음. 이런 막이 없는 세포기는 세포 구성 그룹의 선택성 농축과 분리를 통해 RNA 대사, 핵당체(核糖體) 생성, DNA 손상 응답, 신호 전달 등 다양한 과정에 참여함. 그 외, 액체-액체 상분리 과정과 신경퇴행성 질환, 노쇠 등과 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났음.

현재는 주로 차이와 폭 필드, 공동 초점 형광 현미경을 이용하여 상분리 과정의 발생, 형태와 동적 상태 변화를 관측하고 있으며, 일상적인 이미징 기술 중의 광학 회절 극한(~200nm)의 한계를 돌파하기 위해 초고 해상도 이미징 기술도 액체 방울의 형성과 운동, 상 변화 체 속의 나노 마이크로 구조를 포착하는 데 사용되고 있음.

지금까지는 나노 스케일에서 액체 방울 상의 출현, 성장 속도, 분자를 구성하는 화학 계량 비례, 모집 분자의 결합 상수 등 중요한 물리 및 화학적 매개 변수를 포착할 수 있는 적합한 기술이 부족하였음.

액체-액체 위분리 분야의 기술 공백을 메우기 위해 "베이징(北京, 북경) 바이오 구조 선행 연구 센터" 천춘라이(陳春來, 진춘래) 연구원 연구팀과 리피룽(李丕龍, 이비룡) 연구원 연구팀과 공동 연구를 통해 듀얼 컬러 형광 상호 관련 스펙트럼(dual-color fluorescence cross-correlation spectroscopy, dcFCCS)의 상분리 표면 특성 분석 수단에 기반하고, 동 기술을 이용하여 Saccharomyces cerevisiae SmF(ySMF) 단백질 모델의 상 변화 시스템과 1nM에서 500nM까지의 폭넓은 농도 구간 내의 올리고머(Oligomer)와 액체 방울 상 사이즈, 성장 속도, 분자 구성과 모집되는 분자의 친화력에 대한 정략적 표면 특성 분석을 실행하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 액체-액체 상분리는 광학 굴절 한계 이하의 나노 사이즈에서 발생한다는 점을 입증하였으며, 관련 실험에서 포착한 최소의 액체 방울 상 반경은 20나노 정도에 달한다는 점을 발견하였으며 액체 방울 상의 형성 및 크기는 모집되는 분자와 액체 방울 상의 프레임워크 분자 간의 결합 능력에 영향을 미치지 않는다는 연구 결론을 도출하였음. 열역학 평형 상태에서 나노와 미크론 사이즈의 액체 방울 상은 동일한 선택성 농축과 분리 능력을 보가지고 있다는 점을 발견하였음.

연구팀은 측정 결과를 기반으로 하여 몬테카를로 시뮬레이션 모델(Monte Carlo simulation model)을 통해 용액의 단일 분산 상태의 분자들이 점차 모여 나노 사이즈의 액체 방울 상을 형성하는 동적 상태 과정을 묘사하였으며, 연구팀은 시뮬레이션 결과와 dcFCCS에 대한 정량 데이터의 2차원 융합 유형 분석과 결합하여 나노 사이즈 발생 액체-액체 상분리 과정에서의 임계 농도를 표시하였는데 일반적인 공동 초점 현미경의 측정 한계보다 더 낮은 등급에 도달하였음.

연구팀은 나노 스케일의 액체 방울 상 형성과 없어지는 속도가 미크론 스케일보다 더욱 빨라 나노 스케일의 상 분리 과정은 신속한 조정 제어와 신호 응답 등의 과정에서 중요한 생리 기능을 발휘할 것이라고 추측하였음. 듀얼 컬러 형광 상호 관련 스펙트럼(dual-color fluorescence cross-correlation spectroscopy, dcFCCS)은 위상 분리 과정의 표면 특성을 정량적으로 분석하고 관련 기능을 해석하는 중요한 기술 수단이 된다는 연구 결론을 도출하였음.

본 연구 성과는 ‘Proceedings of National Academy of Sciences(PNAS)’ ("Phase separation at the nanoscale quantified by dcFCCS") 지에 게재됨.