원자힘 현미경을 이용한 단일 DNA 서열 분석법 및 아밀로이드 베타 이합체 형성 연구

Abstract

분자 구조 및 분자 간의 상호 작용은 이와 관련된 여러 힘에 의해 결정된다. 단일 분자 힘 분광법은 분자 간 상호 작용력을 측정하고, 단일 분자에 힘을 가하거나, 특이적인 상호작용력을 이용하여 표적 분자를 인식하는데 사용되어 왔다. 원자힘 현미경은 시료 표면을 나노미터 해상도로 3차원 이미징하는데 사용되어 왔으며, 생체 내 조건과 유사한 환경에서 작동할 수 있다. 원자힘 현미경을 이용한 힘 분광법은 pN 수준의 미세한 힘을 측정 및 전달할 수 있는 능력과 더불어 표면을 지도화할 수 있는 특별한 능력을 제공한다. 따라서 이는 단일 분자 조작 및 개별 분자 분포의 이미징을 가능하게 한다. 본 연구자는 원자힘 현미경 힘 분광법을 이용하여 (1) 단일 분자 DNA 서열 분석법 및 (2) 아밀로이드 베타 이합체 형성을 연구하였다.

DNA 중합효소를 이용한 단일 DNA 서열 분석 DNA 염기서열은 생명체의 청사진이다. 각 유전자의 역할을 이해하고 개인의 유전자 변이를 인지하는 것은 예방의학과 개인맞춤의학을 가능하게 할 것이다. 단일 분자 염기서열 분석법은 극미량의 시료에 존재하는 DNA를 증폭과정 없이 분석하기 위해 개발되고 있다. 하지만 현재 이용 가능한 단일 분자 분석법은 1회 분석에서 발생하는 오차율이 10%를 넘어서는 것으로 알려져 있다. 따라서 원자힘 현미경을 이용하여 고정확도의 단일 DNA 염기서열 분석법을 개발하였다. 표적 DNA의 염기를 확인하기 위해 DNA 중합효소가 결합된 탐침으로 표면에 고정된 네 가지 염기를 (아데닌, 구아닌, 시토신, 티민) 순차적으로 검사하였다. 중합효소의 활성 자리에 위치한 표적 DNA의 염기와 상보적인 염기가 고정된 위치에서 특이적인 결합력을 관찰함으로써 표적 DNA 염기를 결정할 수 있었다. 확인된 상보적인 염기를 용액에서 편입시킴으로써 다음 염기의 분석이 가능했으며, 위 두 단계를 반복함으로써 염기서열을 단일 DNA 수준에서 알아낼 수 있음을 입증하였다. 또한, DNA 중합효소에 가해지는 힘의 조절을 통해 표면에 고정된 dGTP를 편입시킬 수 있음을 확인하였다. 최적화된 반응개시 DNA 고정과 상보적인 염기를 공급하는 미세관의 사용은 위 염기서열 분석법을 더 실용적으로 만들 것이다. 또한 표면에서 직접 뉴클레오티드를 편입시키는 방법이 완성되면 고속의 분석과 기기 소형화도 가능할 것이며, 이는 표적 유전자 염기서열을 표지없이 단일 분자 수준에서 분석하는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

아밀로이드 베타 이합체 형성 연구 알츠하이머병은 가장 흔한 신경퇴행성 질환이며, 그 환자의 수는 점차 증가하는 추세이다. 아밀로이드 베타는 알츠하이머의 병인이 되는 독성 중합체를 형성한다. 그러나 아밀로이드 베타가 용액 상에서 자기 조립, 분해를 계속하고 있기 때문에 중합체 형성 기작을 연구하는 것이 어려웠다. 아밀로이드 베타 이합체는 가장 작은 독성 중합체로서 그 형성 과정을 이해하는 것은 알츠하이머병의 발병 기작 이해와 치료제 개발에 기여할 것이다. 따라서 원자힘 현미경 힘 분광법을 이용하여 단일 분자 수준에서 이합체 형성을 연구하였다. 이합체 형성을 관찰하기 위해 아밀로이드 베타 단일체를 말단에 도입된 시스테인을 이용하여 탐침과 기판에 각각 고정하였다. 공간이 조절된 단일체 고정과 힘 지도화를 통해 탐침과 기판에 고정된 단일체 사이의 이합체 형성을 힘 지도 상에서 관찰할 수 있었으며, 이합체의 분자 구조에 대해서 두 가지 결론을 도출할 수 있었다. 첫째, 27-40 아미노산에 해당하는 아밀로이드 베타1-40의 C-말단은 이합체의 직접적인 결합 부위가 아니다. 둘째, 두 분자의 분리 배향이 unzip 모드일 때 shear 모드보다 분리가 빠르다는 기존의 보고를 전제할 때 이합체는 병렬의 배향을 갖는 것으로 생각된다. 한편, 아밀로이드 베타 이합체 형성에 저분자가 미치는 영향을 연구하였다. 아연 이온의 존재 하에서 결합력이 증가하였으며 이는 아연에 의해서 이합체가 안정화됨을 의미한다. 커큐민은 이합체 형성을 저해함으로써 커큐민 농도에 따라 특이적인 결합력을 관찰할 수 있는 확률이 감소하였다. 본 연구는 알츠하이머병의 원인 분석과 중합체 분해 물질 발굴을 통한 치료제 개발로 연장될 수 있다.