나노기술 및 정책 정보

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화학이나 생물학에 관여하지 않는 사람들이 세포를 상상한다면 아마도 핵, 미토콘드리아, 리보솜 등 별개의 얼룩 모양의 물체를 떠 올릴 것임. 종종 간과되는 부분이 있는데, 아마도 세포의 경계를 나타내는 구불구불한 선으로 보이는 세포막임.

워싱턴 대학교(Washington University in St. Louis) 연구팀이 게이트 키퍼로서의 역할을 하는 투명하고 기름진 세포막을 볼 수 있는 새로운 이미징 기술을 개발함. 새로운 기술을 통해 연구자들은 동일한 상(Phase)의 지질분자 나노도메인과 도메인 내의 화학 성분을 구분할 수 있음. 전통적인 이미징 기술을 사용하면 세포막과 같은 칙칙하고 투명한 물체의 "내부"와 "외부"를 구분하기가 어려움. 연구팀은 형광 추적자를 삽입하고 막을 통해 이동하는 것을 관찰하거나 질량 분석법을 사용하는 것과 같은 전통적인 방법을 사용하지 않고 막을 볼 수 있는 방법을 연구하였음. 막을 파괴하지 않고 조사하기 위해 연구팀도 형광 프로브를 사용했음. 그러나 이 새로운 기술은 멤브레인을 통과하는 경로를 추적하는 대신 형광 프로브에서 방출된 빛을 사용하여 프로브가 있는 위치와 멤브레인에서 "가리키는" 위치를 직접 "확인"함. 프로브의 방향은 멤브레인의 위상과 화학 성분에 대한 정보를 보여줌.

세포막에는 다양한 지질분자가 있음. 어떤 것은 액체를 형성하고 어떤 것은 보다 더 고체 또는 겔 상을 형성함. 고체상의 분자는 단단하고 움직임이 제한됨. 즉, 정렬이 되어 있음. 그러나 액체상태일 때는 더 자유롭게 회전 할 수 있으며, 보다 무질서한 단계에 있음. 연구팀은 세포막을 모방하기 위해 모델 지질 이중층을 사용하여 Nile red와 같은 형광 프로브 용액을 추가하고 현미경을 사용하여 프로브가 막에 잠깐 부착되는 것을 관찰했음. 멤브레인에 부착된 상태에서 프로브의 움직임은 환경에 따라 결정됨. 주변 분자가 무질서 상태에 있는 경우 프로브는 흔들릴 여지가 있으나, 주변 분자가 정렬된 위상으로 있으면 근처 분자와 마찬가지로 프로브가 고정됨. 빛이 시스템에 비추면 프로브는 광자를 방출함. 연구팀이 개발한 이미징 방법은 그 빛을 분석하여 분자의 방향과 고정 또는 회전 여부를 결정함. 개발된 이미징 시스템은 단일 형광 분자에서 방출된 빛을 포착하고 빛을 굴절시켜 카메라에 특별한 패턴을 생성함. 이미지를 기반으로 프로브의 방향을 알게 되며, 회전하는지 고정되어 있는지 여부를 알게 됨. 따라서 정렬된 나노도메인에 삽입되었는지 여부를 알 수 있음. 이 과정을 수십만 번 반복하면 막의 무질서한 액체 영역의 바다로 둘러싸인 정렬된 나노도메인을 보여주는 상세한 지도를 작성하는 데 충분한 정보가 제공됨.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie International Edition’ (“Single‐Molecule 3D Orientation Imaging Reveals Nanoscale Compositional Heterogeneity in Lipid Membranes”) 지에 게재됨