슈퍼마켓 바코드에서 신약개발까지 빨간색 레이저의 눈부신 활약

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작성자 영재원 댓글 0건 조회 6,769회 작성일 11-03-24 16:18

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슈퍼마켓 바코드에서 신약개발까지 빨간색 레이저의 눈부신 활약

레이저가 세상에 첫 등장한 것은 1960년이다. 1960년 미국 휴즈연구소 메이먼은 크롬 이온이 소량 함유된 산화알루미늄으로 만든 루비 막대를 사용해 빛을 만들어냈다. 이 빛은 단일 파장을 지녔기 때문에 일반 빛처럼 사방으로 퍼지지 않고 한 곳으로 모아졌으며 강렬했다.

이 빛을 ‘복사의 유도 방출과정에 의한 빛의 증폭((Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)’이라고 불렀다. 레이저(LASER)는 이들의 머리글자를 딴 약자이다. 초창기 레이저는 주로 군사용으로 사용되면서 일반인들에게는 낯선 신기술이었다. 레이저가 대중에게 널리 알려진 것은 영화 ‘007 골드핑거(1964년)’를 통해서였다.

레이저, 1960년 첫 등장 후 팔방미인 활약

악당 골드핑거에게 붙잡힌 제임스 본드는 팔과 다리가 모두 묶인 채 금판 위에 묶였다. 본드의 정체가 첩보원이라는 것을 알아챈 골드핑거는 본드를 죽이기 위해 금판도 무처럼 싹둑 잘라내는 레이저 특수 광선을 쏜다.

이 장면에 등장한 빨간색 레이저는 당시 큰 화제를 낳으며 일반인의 뇌리에 각인됐다. 이후 스타워즈 시리즈에서 루크 스카이워커와 다스베이더가 레이저 검으로 1대1 대결을 할 만큼 레이저는 할리우드가 사랑하는 단골소재로 인기를 누렸다.

레이저가 우리 실생활에 광범위하게 파고든 것은 슈퍼마켓에서 바코드로 사용되면서부터이다. 슈퍼마켓 카운터에서 물건 가격을 합산할 때 바코드 리더기에서 나오는 빨간색 광선이 바로 레이저이다.

이후 시력교정을 위한 라식수술, 치과의 무통치료, 문신 제거, CD-DVD 플레이어, 레이저 프린터, 정보손실 없이 장거리 정보교환을 위한 광통신, 화폐 위조방지를 위한 홀로그램, 금속의 절단, 용접 및 구멍 뚫는 것 등 레이저는 다방면에서 자신의 역할을 톡톡히 수행하고 있다.

이처럼 현대사회의 곳곳에서 팔방미인으로 활약하고 있는 레이저가 이제는 ‘신약개발’의 영역까지 자신의 활동영역을 넓히고 있어 새삼 화제가 되고 있다. 레이저를 이용한 세포막 단배질의 상호작용 측정이 현실화될 전망이기 때문이다.

세포막 단백질, 신약개발의 주요 목표 단백질

ⓒVanderbilt

인간의 세포에는 세포의 출입문이라고 할 수 있는 세포막이 존재한다. 세포막에는 세포막 단백질이 존재한다. 인간 세포에 존재하는 7,000여개의 단백질 가운데 대략 30% 가량이 세포막에 존재하는 세포막 단백질이다.

세포막 단백질은 세포 내부와 외부간의 에너지 대사, 외부 신호 감지, 물질 수송 및 통로 등 세포의 중요한 생리기작을 담당한다. 세포 내의 생리기작은 신호전달을 통해 조절되는데 신호전달의 60~70% 가량이 세포막 단백질로부터 촉발된다.

이러한 이유로 현재 시판중인 의약품의 약 50% 이상이 세포막 단백질을 약물이 작용하는 작용점으로 활용하고 있다. 즉 세포막 단백질이 신약개발의 중요한 목표라는 얘기다. 문제는 세포막 단백질의 이 같은 중요성에도 불구하고 이들을 연구하는 것이 매우 어렵다는 점이다.

현재 세포막 단백질을 세포막에서 분리, 정제하는 것은 기술적으로 극히 힘들다. 때문에 세포막 단백질의 구조 등에 대해 밝혀진 것이 거의 없다. 세포막 단백질 연구는 전체 단백질 연구의 약 1% 미만에 불과하다. 또한 세포막 단백질의 활성을 측정하는 현재의 기술은 극히 제한적이다.

현존하는 기술의 대부분은 세포막 단백질의 자연적인 환경인 세포막을 제거하거나 세포막 단백질에 여러 방법을 통해 조정을 가한다. 이를테면 세포막 단백질의 활성을 분석하기 위해 단백질에 형광표지인자를 부착시키는 방법이다.

세포막 단백질에 형광표지인자를 부착시키는 것과 같이 본래의 단백질을 조정하는 것은 세포막 단백질의 원래 기능을 예측할 수 없는 방향으로 바꿀 수 있는 문제점을 내포하고 있다.

레이저 기반 세포막 단백질 상호작용 측정 기술 개발

▲ 레이저 기반 BSI가 만들어내는 패턴 ⓒVanderbilt

이런 가운데 미국 반데르빌트대 대릴 본홉(Darryl Bornhop) 교수팀은 자연적인 환경에서 세포막 단백질과 다른 생체분자와의 상호작용을 측정할 수 있는 신기술을 개발했다.
연구팀은 레이저를 기반으로 한 후방산란 간섭법(backscattering interferometry, BSI)을 적용해 자연조건에서 세포막 단백질과 생체분자들 사이의 결합력(binding force)을 정확히 측정했다고 과학저널 ‘Nature Biotechnology’ 최신호에 보고했다.

연구팀의 방법은 표지인자를 사용하지 않으며 기존방법보다 비용과 시간 면에서 효율적이라는 장점이 있다.

BSI를 이용한 측정방법은 의외로 간단했다. BSI는 마트의 바코드 스캐너가 빨간색 레이저를 쏘아 바코드를 읽듯이 현미경으로만 볼 수 있을 정도로 아주 작은 공간을 레이저를 통해 읽는다. 용액으로 채워진 이 공간에는 세포막 단백질과 세포막 단백질에 결합하는 2개의 생체분자가 포함돼 있어 레이저는 이들 생체분자사이의 결합력을 측정한다.

공간의 기하학적 구조가 정확하다면 레이저는 분자들이 하고 있는 일에 매우 민감한 간섭 패턴을 만들어낸다. 예를 들어 분자들이 서로 결합하고 있다면 간섭 패턴은 바뀌기 시작한다. BSI는 이들 생체분자들의 결합력을 매우 작은 농도인 피코(pico)단위까지 측정할 수 있다. 피코는 1조(兆) 분의 1에 해당한다.

연구팀은 합성한 세포막 환경과 자연 상태의 세포막 환경 등 2가지의 환경을 설정해 실험을 수행했다. 합성 세포막은 GM1이라는 세포막 단백질은 포함했다. GM1은 콜레라균이 만들어내는 콜레라 독소가 세포 내부로 침입하기 위해 첫째로 결합하는 단백질이다. GM1을 포함한 합성 세포막을 콜레라 독소와 혼합했을 때 이들의 결합력은 다른 방법으로 측정되는 결합력과 일치했다.

이어 연구팀은 자연적으로 유래한 세포막 환경에서의 실험을 수행했다. 이 실험에는 3개의 세포막 단백질이 사용됐다. 이들 세포막 단백질들은 각각 유방암, 염증반응 그리고 신경전달물질인 가바(GABA)에 관련된 단백질들이다. 가바는 휴식과 수면, 불안 등에 관여한다.

이들 세포막 단백질을 각각 포함하는 세포막에 각각의 세포막 단백질에 결합하는 생체분자를 혼합했을 때 BSI는 다른 방법으로 측정한 것과 동일한 결합력을 보여줬다고 연구팀은 밝혔다.

이상의 연구결과는 연구팀의 레이저 기술이 세포막 단백질과 이에 결합하는 생체분자들 사이의 상호작용을 측정할 수 있는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사한다. 반데르빌트 화학생물학연구소 로렌스 마넷 소장은 “레이저를 기반으로 한 BSI기술은 세포막 단백질의 상호작용을 측정하는 데 매우 강력한 도구이자 중요한 진보”라고 평가했다.