▲ KU-KIST융합대학원 유용상 교수, 안동준 고려대 교수, 백지민 고려대 화공생명공학과 석박사통합과정, 정우혁 고려대 화공생명공학과 석박사통합과정(이상 왼쪽부터)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 화공생명공학과 안동준 교수와 KU-KIST융합대학원(융합대학원장 권익찬) 유용상 교수(KIST 뇌과학연구소) 공동 연구팀은 뇌세포에 존재한다고 알려진 콜레스테롤 함유 지질뗏목 도메인에서 물 분자가 투과하지 못함을 실험적으로 처음 관측하고, 이론 연구를 병행하여 그 메커니즘을 규명했다.

기존에는 콜레스테롤 고함량 도메인인 지질뗏목에서 물 분자의 이동 여부를 밝히기 위한 다양한 시도에도 불구하고, 이를 실험적으로 증명하는 것은 지금까지 미지의 과제로 남겨져 왔으며, 콜레스테롤 고함량 지질뗏목이 세포막상에서 1,000분의 1초 동안 생겼다가 사라지거나, 재차 발생한다 해도 머리카락 두께의 10,000분의 1 두께로 형성되기 때문에 시ㆍ공간적 측면에서 관측이 어려운 난제였다.

이번 연구는 이를 극복하고 뇌세포에 다량 존재한다고 알려진 지질뗏목을 체외에서 구현함으로, 물분자 투과도를 실험적으로 입증한 영광의 첫 사례가 되었다. 

* 지질뗏목(lipid raft) : 세포막상에 존재하는 콜레스테롤과 글리코스핑고리피드, 막결합 수용체 등의 당단백질이나 지질이 풍부한 영역이다. 이 영역은 신호전달에 필요한 물질들이 다량으로 모여 있어 세포내외부로 각종 신호전달을 담당하며 생명유지에 중요한 역할을 한다.

▲ 지질뗏목 체외구현 플랫폼과 분자동역학 시뮬레이션을 통해 콜레스테롤 고함량의 지질뗏목에서 물분자 불투과 정도를 관측하고 그 메커니즘을 규명하였다.

연구팀은 매우 짧은 시간에 국소적으로 발생하는 지질뗏목을 안정적으로 재현하는 기술을 반영하여, 해당 지질뗏목을 마이크로미터 크기의 홀 구조체위에 도포했다. 이처럼 새롭게 설계된 지질뗏목 지지형 플랫폼은 물 분자의 투과를 체외에서도 모사할 수 있도록 고안되어, 물 분자 교환이 활발한 경우에 세포막이 터지는 원리를 통한 지질뗏목에서의 물 분자 불투과 정도를 분석할 수 있었다.

이어 분자동역학 시뮬레이션 분석을 통해 콜레스테롤이 많은 지질뗏목 영역에서 물 분자의 투과도가 상대적으로 낮아지는 과정과 그 원인도 추적 분석하며, 물 분자 교환이 활발한 경우 세포막이 파괴되는 과정을 밝히는 데에도 성공했다.

* 분자동역학 시뮬레이션 : 물리계의 원자들 사이의 힘이 주어졌을 때, 이를 이용하여 뉴턴의 운동 방정식을 순차적으로 풀어냄으로써 원자들의 동역학을 계산하는 방식이다.

고려대학교는 2012년 한국과학기술연구원(KIST)과 함께 KU-KIST융합대학원을 설립하여 양 기관의 핵심 인력이 학연교수 형태로 참여해 국가과학기술을 선도할 핵심기술 공동연구를 수행하고, 융합형 명품인재를 양성하는 새로운 교육 및 연구모델을 선보인 바 있다. 유용상, 안동준 교수의 이번 공동연구 성과도 양 기관의 협력으로 이뤄낸 결과이다.

과학기술정보통신부 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업, 미래소재디스커버리사업, KIST 주요사업 및 KU-KIST사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 화학 분야 최고 권위 학술지인 Journal of the American Chemical Society(IF=16.383)에 지난 11일 온라인판 게재와 동시에 표지 논문으로도 선정되는 쾌거를 거뒀다.

- 저자정보 : 유용상(교신저자, KIST/고려대), 안동준(교신저자, 고려대), 백지민(공동1저자, 고려대/KIST), 정우혁(공동1저자, 고려대), 유의상(KIST)

- 논문명 : In-vitro membrane platform for the visualization of waterimpermeability across the liquid-ordered phase under hypertonic conditions

- DOI : 10.1021/jacs.2c06626   /공과대학신문