Sub-microsecond conformational dynamics in an optical nanocavity

무용수가 복잡한 안무를 수행하는 것을 보려고 노력한다고 상상해 보세요. 하지만 무용수는 보이지 않고, 무대는 칠흑 같이 어두우며, 당신은 열쇠구멍을 통해 아주 짧은 순간 동안만 엿볼 수 있습니다. 이것이 과학자들이 모든 살아있는 세포 내부에서 작동하는 작은 기계인 단백질이 어떻게 움직이고 형태를 바꾸는지 이해하려고 할 때 직면하는 도전 과제입니다. 이러한 형태 변화는 매우 중요합니다. 이것이 바로 우리 몸이 바이러스를 인식하고, 음식을 소화하며, 세포 간에 신호를 보내는 방식이기 때문입니다. 그러나 이러한 변화는 믿을 수 없을 정도로 빠르게, 종종 100만 분의 1초 만에 일어나며, 너무 작아서 기존의 현미경으로는 단백질에 밝게 빛나는 태그를 붙이지 않고서는 관찰할 수 없습니다. 하지만 여기에는 함정이 있습니다. 그 태그들은 무용수의 움직임을 늦추거나 동작을 변화시키는 무거운 배낭처럼 작용하여 관찰을 부정확하게 만들 수 있습니다. 게다가, 단백질은 폭풍 속의 나뭇잎처럼 무작위로 움직이는(브라운 운동이라고 불리는 현상) 매우 불안정한 상태이기 때문에, 단일 단백질의 구체적인 춤 동작을 노이즈 속에서 놓치지 않고 추적하는 것은 거의 불가능했습니다.

이제, 태그를 전혀 사용하지 않고도 단백질을 관찰할 수 있는 고속 초정밀 카메라를 구축한 연구팀을 소개합니다. 그들은 광섬유 센서가 마치 초정밀하고 매우 안정적인 무대와 같은 역할을 하도록 만들었습니다. 단백질을 강한 힘으로 고정시켜 으깨는 대신, 그들이 만든 장치는 단백질이 자유롭게 움직이면서도 눈에 보일 수 있도록 표면에 부드럽게 유도합니다. 이 새로운 장치는 매우 빠르고 안정적이어서 단일 단백질이 100만 분의 1초 미만의 시간 동안 형태를 바꾸는 것을 포착할 수 있으며, 몇 분 동안 지속되는 하나의 연속적인 영화 속에 수천 개의 이러한 작은 "발걸음"을 담아낼 수 있습니다. 이를 통해 그들은 단백생물들이 단순히 무작위로 움직이는 것이 아니라, 기억력을 가지고 있으며, 주저하기도 하고, 이전에는 수백만 개의 단백질을 한꺼번에 평균 내어 관찰했기 때문에 숨겨져 있었던 방식으로 여러 형태 사이를 전환한다는 사실을 발견했습니다. 이는 생명의 비밀스럽고 빠른 춤을 이해하는 새로운 창을 열어주며, 이 분자 기계들이 건강할 때 어떻게 작동하고 기능이 고장 났을 때 무엇이 잘못되는지를 이해하는 데 도움을 줍니다.

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초정밀 단백질 카메라

Heehun Sung과 Warwick Bowen이 이끄는 퀸즐랜드 대학교 연구진은 단백질을 건드리지 않고도 그 춤을 관찰할 수 있는 새로운 종류의 센서를 개발했습니다. 이 장치를 빛을 위한 매우 강력한 돋보기 역할을 하는 실리콘 칩에 새겨진 작은 1차원적 "슬롯"이라고 생각하면 됩니다. 빛이 이 슬롯에 갇히면 매우 균일하고 부드러운 장(field)을 형성합니다.

보통 과학자들이 단일 단백질을 관찰하기 위해 가두려고 할 때, 빛의 장은 울퉁불퉁하고 불균일한 언덕과 같습니다. 단백질은 자연적인 열에 의한 움직임(브라운 운동) 때문에 이 언덕에서 심하게 흔들리고 밀리고 당겨집니다. 이러한 흔들림은 너무 많은 노이즈를 만들어내어 단백질의 미세하고 의미 있는 형태 변화를 덮어버립니다. 저자들은 단백질의 진정한 움직임을 보기 위해서는 이 언덕을 평평하게 만들어야 한다는 점을 깨달았습니다. 그들은 빛의 장이 믿을 수 없을 정도로 매끄럽고 균일하도록 실리콘 슬롯을 설계했습니다. 이 매끄러움은 단백질의 흔들림을 60배까지 억제하여, 배경 노이즈를 효과적으로 제거함으로써 단백질의 실제 구조적 변화를 명확하게 들을 수 있게 해줍니다.

페리틴 무용수

새로운 센서를 테스트하기 위해, 그들은 우리 몸에서 발견되는 일종의 작은 철 저장 케이지인 페리틴(ferritin)이라는 단백질을 사용했습니다. 그들은 이 단백질들을 센서 위에 한 층으로 배치하고 어떤 일이 일어나는지 관こと 관찰했습니다.

먼저, 그들은 단백질들이 표면에 달라붙어 "단단한 층(hard layer)"을 형성하는 것을 보았습니다. 이 층이 안정된 후, 그들은 그곳에 약하게 부착된 개별 단백질들을 관찰했습니다. 이 단백질들은 꽉 끼여 있는 것이 아니라 "부드러운 층(soft layer)"에 있었으며, 덕분에 한 곳에 머물면서도 꿈틀거리거나 움직일 수 있었습니다.

센서는 놀라운 것을 감지했습니다. 단백질들이 두 가지 다른 형태 사이에서 뚜렷한 "발걸음"을 떼고 있었습니다. 그것은 부드러운 미끄러짐이 아니라, 한 상태에서 다른 상태로의 갑작스러운 도약이었습니다.

• 속도: 그들은 이 도약을 단 400나노초(0.0000004초)라는 짧은 시간 안에 분해할 수 있었습니다.
• 양: 단 8.5초 동안의 단일 측정에서, 그들은 한 단백질의 71,000개 이상의 전이(단계)를 추적했습니다. 또 다른 유형의 단-1초 측정에서는 12,000개 이상의 단계를 관찰했습니다.

이 정도의 세밀함은 이전에는 불가능했습니다. 기존 방식은 수백만 개의 단백질을 평균 내어 보여주었기 때문에, 이러한 급격한 개별 단계들을 흐릿하게 만들어 버렸습니다.

발걸음이 말해주는 것

실시간으로 이 발걸음을 관찰함으로써, 연구진은 단백질이 "기억력"을 가지고 있다는 것을 발견했습니다.

• 기억 효과: 단백질이 한 형태에 일정 기간 머물러 있으면, 다음 움직임은 그곳에 얼마나 오래 있었는지에 따라 달라졌습니다. 이는 단백질의 내부 구조가 배경에서 서서히 변화하며 현재의 움직임에 영향을 미치고 있음을 시사합니다.
• 이질성: 모든 단백질이 동일하지 않았습니다. 같은 배치 내에서도 어떤 단백질은 다른 것처럼 다르게 움직였습니다. 이러한 "개별성"은 모든 것을 평균 내어 버렸던 이전 연구들에서는 숨겨져 있었습니다.

그들은 또한 환경이 춤에 어떻게 변화를 주는지 테스트했습니다:

1. 염 농도: 용액의 염 농도를 높였을 때, 단백질의 "단계 밟기"는 멈췄고 단일한 안정된 형태에 정착했습니다. 이는 염이 단백질의 껍질을 고정하는 안정제 역할을 한다는 것을 시사합니다.
2. 철 핵: 그들은 철 핵이 있는 페리틴(holoferritin)과 철 핵이 없는 페리틴(apoferritin)을 비교했습니다. 핵이 없는 버전은 덜 안정적이었으며 염 농도가 높을 때도 계속해서 단계를 밟았습니다. 이는 철 핵이 단백질의 껍질을 단단하게 만드는 데 도움을 준다는 것을 확인시켜 주었습니다.

이것이 중요한 이유

저자들은 이러한 급격한 단계들이 아마도 단백질이 철을 들여오고 내보내기 위해 작은 통로를 열고 닫는 과정일 것이라고 주장합니다. 이는 시뮬레이션이 예측했지만 지금까지 아무도 실제로 볼 수 없었던 과정입니다. 이 센서는 실리콘 칩 기반으로 제작되었기 때문에 수백 개를 동시에 만들 수 있습니다. 이는 이 기술이 결국 수천 개의 약물을 스크리닝하거나 서로 다른 단백질 간의 상호작용을 연구하는 데 확장될 수 있음을 의미하며, 이 모든 과정에서 단백질의 자연스러운 행동을 변화시킬 수 있는 형광 태그를 사용할 필요가 없습니다.

연구진은 이러한 단계들이 단백질의 형태 변화를 나타낸다는 것에 매우 확신하고 있지만, 단백질이 단순히 센서의 다른 지점으로 옮겨가는 것과 같은 다른 가능성을 배제하기 위해 여전히 연구를 진행 중이라는 점을 유념하고 있습니다. 그러나 이러한 단계들이 염 농도와 철 핵의 존재 여부에 따라 달라진다는 점, 그리고 카탈라아제(catalase)와 같은 다른 단백질은 동일한 단계 밟기 행동을 보이지 않았다는 점은, 그들이 단백질의 내부 구조 변화를 관찰하고 있다는 가설을 강력하게 뒷받합니다.

이 연구는 단순히 더 빠른 카메라를 제공하는 것이 아닙니다. 우리를 살아가게 하는 분자들의 조용하고 빠른 대화를 듣는 새로운 방법을 제공합니다.