Control of filament network rigidity by the condensation of crowding molecules
이 연구는 거대분자 크라우더(macromolecular crowders)가 액체 방울로 응축되는 현상이 네트워크를 결합하는 삼투압을 조절함으로써 필라멘트 네트워크의 강성을 가역적으로 10배가량 감소시킨다는 것을 입증한다.
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모든 살아있는 세포 내부에는 고층 건물의 철골 구조와 매우 흡사하게, 미세한 막대기들이 복잡한 비계(scaffolding)를 형성하여 구조를 지탱하고 있습니다. 이 필라멘트들은 정지해 있는 것이 아니라, 세포가 움직이고, 분열하고, 환경에 반응하는 것을 돕기 위해 끊임없이 재배열됩니다. 과학자들은 이러한 구조물들이 조건에 따라 단단해지거나 부드러워지는 등 강성(stiffness)을 변화시킬 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 그러나 세포 내에서 액체가 분리되는 과정, 즉 분자들이 서로 뭉쳐 별개의 방울을 형성하는 과정이 어떻게 이 필라멘트 네트워크의 기계적 강도를 직접적으로 조절하는지에 대한 근본적인 질문은 여전히 해결되지 않은 채 남아 있었습니다. 이 질문은 생물학과 물리학의 접점에 위치하며, 생명의 무질서하고 유동적인 성질이 어떻게 우리 몸을 형성하는 정밀한 힘으로 변환되는지를 탐구하며, 나아가 언젠가 새로운 스마트 재료의 창조를 안내할 수도 있는 문제입니다.
조지아 공과대학교의 연구팀은 이제 세포 환경을 단순화한 모델을 구축함으로써 이에 대한 명확한 답을 제시했습니다. 그들은 두 가지 특정 성분의 혼합물을 만들었습니다: 박테리아 꼬리에서 추출한 단단한 나선형 필라멘트와, 열을 가했을 때 서로 뭉치도록 설계된 인공 단백질입니다. 약 23나노미터 두께에 길이는 약 5마이크로미터인 이 박테리아 필라멘트들은 자연스럽게 서로 엉키며 단단하고 상호 연결된 그물망을 형성합니다. 엘라스틴 유사 폴리펩타이드(elastin-like polypeptides)로 알려진 이 인공 단백질들은 용액 내에서 '군중을 좋아하는 이들(crowd-pleasers)' 역할을 합니다. 온도가 올라가면 이들은 물로부터 분리되어 액체 방울로 응축되는데, 이는 개념을 설명하기 위해 사용된 유일한 비교 대상이지만, 마치 식초에서 기름이 분리되는 것과 유사합니다.
연구진은 온도를 올리고 내리는 주기에 따라 필라멘트 네트워크의 강성이 어떻게 변하는지 관찰했습니다. 인공 단백질이 액체 속에 고르게 녹아 있을 때, 필라멘트들은 단백질의 밀집 효과(crowding effect)에 의해 서로 밀려나며 단단하고 견고한 다발을 형성하여 강한 네트워크를 만들었습니다. 그러나 온도가 상승하여 단백질이 방울로 응축되자마자, 네트워크는 강성을 잃었습니다. 재료는 현저히 부드러워졌으며, 변형에 대한 저항력이 10분의 1 수준으로 떨어졌습니다. 연구진이 혼합물을 다시 냉각시키자, 방울들이 녹아 없어지고 단백질이 분산되었으며, 네트워크는 즉시 원래의 강성을 회복했습니다. 이러한 가역적인 변화는 반복적으로 일어났으며, 이는 밀집된 분자들의 응축이 기계적 변화의 직접적인 원인임을 입증했습니다.
이 현상이 왜 일어나는지 이해하기 위해, 연구팀은 필라멘트의 미시적 행동을 면밀히 조사했습니다. 그들은 단백질이 녹아 있을 때, 이들이 필라멘트를 압착하는 용매처럼 작용하여 필라멘트들을 서로 밀어붙여 다발을 만들고 고정시킨다는 것을 발견했습니다. 밀집된 단백질의 압력에 의해 발생하는 이 압착력은 네트워크를 결합하는 데 필수적이었습니다. 일단 단백질이 방울을 형성하면, 이들은 주변 액체를 떠나게 되어 이 압착 압력이 급격히 떨어지게 됩니다. 이 압력이 사라지자 필라멘트들은 더 이상 단단하게 묶이지 않았습니다. 대신, 필라멘트들은 자유롭게 흔들리고 회전하기 시작했으며, 이는 네트워크가 구조적 무결성을 상실했음을 나타냈습니다. 연구진은 필라멘트 자체가 부서지거나 모양이 변한 것이 아니라, 압착력이 사라짐으로써 필라멘트들이 움직일 수 있게 되었고, 이로 인해 고체 같은 구조가 유체 같은 구조로 변했다는 점을 확인했습니다.
이 연구는 방울들이 단순히 네트워크에 구멍을 뚫었다거나, 혹은 방울들이 필라멘트를 접착제로 붙잡고 있었다는 가설을 배제합니다. 대신, 증거들은 용해된 단백질의 존재가 필라멘트를 결합시키는 삼투압을 생성한다는 메커니즘을 가리킵니다. 단백질이 응축되면 이 결합 압력이 사라지고, 네트워크는 부드러운 상태로 붕괴됩니다. 연구진은 필라멘트 사이의 간격을 측정하였고, 물리적 간격은 약간 변했지만, 강성의 극적인 변화는 구조 자체의 거대한 재배열이 아니라 필라멘트가 어떻게 움직이고 상호작용하는지의 변화에 의해 주도되었다는 것을 발견했습니다.
이 발견은 생물학적 재료가 작동하는 방식에 대해 새로운 사고방식을 제공하며, 우리가 이를 어떻게 설계할 수 있는지에 대한 실마리를 제공합니다. 밀집된 분자들의 상분리(phase separation)를 제어함으로써, 요구에 따라 필라멘트 네트워크의 강성을 조절하는 것이 가능해집니다. 이 원리는 살아있는 세포에서 발견되는 적응성을 모방하여, 단단한 상태와 부드러운 상태 사이를 전환할 수 있는 동적 재료를 만들기 위한 청사진 역할을 할 수 있습니다. 이 연구는 연성 재료(soft materials)의 역학이 단순히 그 안에 포함된 고체 성분뿐만 아니라, 그 주변을 떠다니는 분자들에 의해 생성되는 보이지 않는 힘에 의해서도 결정된다는 것을 보여줍니다.
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