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제1세부과제 : 단분자 이미징과 동력학 |
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본 세부과제의 목표는 생체 고분자들과 이들의 반응 네트워크 동력학을 단분자 수준에서 관찰하고 이를 정량 해석하여 이해하는데 있다. 이 목표를 달성하기 위해 다음과 같은 연구계획을 추진한다. 먼저 분자거동 및 반응동력학을 단분자 수준에서 관찰하기 위해 기존 FRET (Fluorescence Resonant Energy Transfer)이나 Optical Tweezer를 이용한 방법들의 단점을 극복한 새로운 무표지 단분자 감지법과 단분자자성체 스핀표지를 이용한 분자이미징 방법을 연구한다. 그리고 단분자 감지실험으로부터 단분자들의 거동 및 반응 동력학에 대한 미시적인 정보를 추출하기 위해 새로 운 해석 이론과 모델을 개발한다. 마지막으로 이 연구결과를 통해 그동안 관찰과 해석이 매우 제한되었던 단일 생체 고분자들의 동력학과 이들 분자 가 이루는 반응 네트워크의 동력학을 규명할 계획이다. |
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[1단계: 단분자 감지체 및 이미징 기반연구] |
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● 무표지 단분자 감지 시스템 개발 현재 대부분의 단분자 실험에서는 단분자에 형광표지나 분자 손잡이를 부착하여 사용한다. 표지나 분자손잡이를 부착하게 되면 단분자의 물성이나 동력학이 원래 그것과는 달라질 가능성이 있다. 이는 FRET이나 Optical Tweezer를 이용한 단분자 실험에 상존하는 문제이다. 이에 더해 형광표지나 분자 손잡이를 사용할 수 있는 시간이나 횟수가 제한 되어있어 단분자 관찰 시간범위가 제약되는 또 다른 문제가 있다. 형광 표지나 분자 손잡이를 부착하지 않고 단분자를 감지 해 내는 것은 위 두 문제를 동시에 해결하는 매우 이상적인 방법이다. 기존의 모든 단분자 실험을 대체할 수 있는 일반적 인 무표지 단분자 실험법을 개발해 내는 것은 매우 어려운 일이다. 그러나 최근 단일 효소 반응 실험이나 단일 핵산 감지 실험에서 무표지 단분자 감지 법이 실증된 사례가 있다. 이 무표지 감지 시스템에 최근 각광을 받고 있는 분자선 센서의 일반적인 신호 증폭 개념을 적용하면 핵산 감지 시스템의 민감도를 크게 높일 수 있다. 이와 더불어 생고분자-나노구조체를 이용한 무표지 단분자 감지 모델을 구상하고 전산모사를 통하여 이를 검증하는 연구를 수행할 것이다. |
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● 단분자 자성체를 이용한 스핀 표지 기반연구 |
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단분자 자성체는 철, 구리, 망간과 같은 상자성체가 산소나 아세테이트 같은 리간드 구조체에 결합된 수 나노미터 크기의 분자복합체이다. 초상자성 체의 성질을 띠고 공명 양자투과에 의한 효과로 계단식 모양의 자기이력 곡선을 보인다. 최근 적절한 리간드 구조체를 사용하면 단분자 자성체를 금 이나 실리콘 나노 기공 혹은 생고분자에 결합시킬 수 있음이 알려졌다. 스핀교환 상호작용, 쌍극자 상호작용, 결정 대칭성이 생고분자-리간드 결합체 의 물성 변화에 민감하게 반응한다. 이는 단분자 자성체가 생체분자의 동역학적 구조변화를 감지하는 스핀 표지로서 기능 할 수 있음을 의미한다. 먼 저 기존에 연구된 단분자 자성체 및 리간드 구조체의 화학적 안정성과 자성물성 데이터베이스를 구축한 뒤 EPR에 가장 민감하게 반응하는 단분자 자 성체 그룹을 선별한다. 실험과 이론 및 전산모사를 통해 스핀표지-단일 생고분자(DNA, RNA, 단백질) 리간드 구조체를 연구하여 단분자 자성체 스핀 표지를 최적화한다. 본 연구에서 제안된 단분자 자성체 스핀표지는 초상자성체이므로 기존의 질소나 아미노산과 같은 상자성체 스핀표지에 비해 민감 도가 수천 배 높다는 장점이 있다. |
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● 단분자 이미징 분석이론 연구 |
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단분자 실험을 통해 얻어지는 단분자 거동이나 반응의 통계적 성질은 기존에 정립되어 있는 브라운 운동이론이나 고전 화학반응 속도론으로 설명되 지 않는다는 사실이 최근 단일 효소반응 실험과 세포내 단일 mRNA 거동 실험으로부터 밝혀졌다. 그러므로 단분자 실험 데이터로 부터 의미있는 분 자 동력학 정보를 추출해 내기 위해서는 새로운 해석이론이 필요하다. 본 연구에서는 기존이론으로는 설명되지 않는 분자 모터의 비대칭 확률적 이동 양상이나 mRNA의 세포내 비정상 수송 양상을 설명할 수 있는 새로운 모델과 해석 이론을 제안할 것이다. 최근 실험으로 관찰된 단일 효소 반응시간 확률분포가 기존 화학 반응 속도론으로 기술되지 않는다는 점이 알려지게 되었다. 그러나 이를 기술할 수 있는 적절한 해석이론은 아직 제안된 바 없 다. 먼저 전산모사를 통해 기존 단분자 반응 해석법의 문제점을 밝히고 이를 해결 할 수 있는 새로운 단분자 반응 속도 이론을 정립할 것이다. |
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