Programmable Protein Reference Standards for benchmarking sub-10 nm Fluorescence Microscopy

방 안을 떠다니는 두 개의 아주 작은 먼지 입자 사이의 거리를 측정하려고 한다고 상상해 보십시오. 하지만 당신은 오직 안개가 낀 창문을 통해서만 그것들을 볼 수 있습니다. 당신은 그 위치를 정확히 알고 있다고 생각할 수도 있지만, 안개(당신의 눈이 가진 한계)와 빛이 유리창에 부딪히는 방식(빛의 거동)이 당신을 속일 수 있습니다. 이것이 초고해도 현미경을 사용하는 과학자들이 매일 마주하는 도전입니다. 이 강력한 도구들은 바이러스보다 더 작은 세포 내부의 사물들을 볼 수 있게 해주며, 과거에 우리를 가로막았던 '안개 낀 창문'이라는 장벽을 깨뜨려 줍니다. 하지만 우리가 불과 몇 나노미터(나노미터는 1미터의 10억 분의 1) 차이를 측정하려 가까이 다가갈수록, 새로운 문제들이 나타납나옵니다. 때때로 분자를 빛나게 하기 위해 붙인 표식(라벨)들이 서로 상호작용하여 어떻게 깜빡이거나 빛나는지를 변화시키기도 합니다. 또 어떤 때는 빛나는 표식을 분자에 고정하는 '끈'이 너무 길어서, 분자가 엉뚱한 위치에 있는 것처럼 보이게 만들기도 합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들에게는 자신의 현미경이 진실을 말하고 있는지 테스트할 수 있는, 믿을 수 있는 '자(ruler)'가 필요합니다. 즉, 알려진 모양과 크기를 가진 작고 완벽한 물체가 필요합니다.

오랫동안 과학자들은 두 가지 주요 유형의 자를 사용해 왔습니다. 하나는 DNA로 만들어진 것으로, DNA는 종이접기처럼 믿을 수 없을 정도로 정밀한 모양으로 접힐 수 있습니다. 다른 하나는 세포핵 내부의 작은 통로와 같은 천연 세포 부속물입니다. 하지만 DNA 자는 마치 플라스틱 장난감처럼 느껴집니다. 실제 세포를 구성하는 부드럽고 말랑말랑한 단백질처럼 행동하지 않기 때문입니다. 그리고 천연 세포 부속물은 무질서합니다. 다양한 거리를 테스트하기 위해 그 모양을 쉽게 바꿀 수 없습니다. 바로 이 지점에서 새로운 연구팀이 영리한 해결책을 들고 등장합니다. 그들은 실제 세포와 똑같이 느껴지면서도 라디오 다이얼처럼 조절할 수 있는 '프로그래밍 가능한 단백질 자'를 만들어냈습니다.

숨바꼭질을 하는 단백질 고리

Gerti Beliu와 Markus Sauer가 이끄는 과학자들은 'cTRP PicoRuler'라고 불리는 새로운 종류의 참조 표준을 만들었습니다. 이것을 아주 작은 속이 빈 단백질 고리라고 생각하십시오. 너비는 약 10나노미터로, 작은 바이러스 정도의 크기입니다. 시험관 안에서 이 고리들은 완벽하고 투명한 훌러후프와 같습니다. 하지만 마법은 과학자들이 이 고리에 얼마나 많은 '야광 스티커'(형광체)를 붙일지, 그리고 정확히 어디에 배치할지를 결정할 때 일어납니다.

과학자들은 '유전 암호 확장(genetic code expansion)'이라는 기술을 사용하여 이 단백질들의 설계도를 다시 썼습니다. 일반적인 20가지 아미노산(생명체의 구성 요소) 대신, 그들은 특수 제작된 맞춤형 구성 요소를 삽입하여 마치 작은 갈고리처럼 작동하게 했습니다. 이 갈고리들은 형광 염료를 외과 수술과 같은 정밀함으로 딱 붙일 수 있게 해줍니다. 그들은 이 고리 제품군을 다양하게 구축했습니다. 스티커가 하나만 있는 것부터, 두 개, 세 개, 네 개, 심지어 여섯 개가 있는 것도 만들었습니다. 또한 스티커를 서로 뭉쳐 놓은 것도 만들었고, 고리 주변에 넓게 퍼뜨려 놓은 것도 만들었습니다.

'깜빡임'이 중요한 이유

이 고리들을 만든 후, 연구진은 이들이 어떻게 행동하는지 보기 위해 초고해도 현미경 아래에 두었습니다. 여기서 놀라운 사실이 발견되었습니다. 스티커들은 그저 그 자리에 앉아 빛나기만 하는 것이 아니었습니다. 스티커들은 켜졌다 꺼졌다 하며 깜빡였습니다. 연구진은 이 스티커들이 깜빡이는 방식이 이들이 서로 얼마나 가까이 있는지에 전적으로 달려 있다는 것을 발견했습니다.

사람이 붐비는 방에서 친구들이 대화를 나누는 모습을 상상해 보십시오. 만약 그들이 멀리 떨어져 있다면, 아무 문제 없이 동시에 소리칠 수 있습니다. 하지만 만약 그들이 좁은 원형으로 모여 있다면, 실수로 서로의 목소리를 가로막거나 옆 사람에게 주의를 빼앗길 수 있습니다. 마찬가지로, 단백질 고리 위의 형광 스티커들이 빽빽하게 밀집되어 있을 때, 이들은 서로 상호작용하여 깜빡이는 속도를 변화시키고 현미경이 이들을 '볼' 수 있는 횟수를 변화시켰습니다. 연구진은 이러한 깜빡임 패턴을 측정함으로써 스티커들이 어떻게 배열되어 있는지 정확히 알 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이는 이 단백질 고리들이 단순히 정지된 자가 아니라, 거리가 빛의 거동에 어떤 영향을 미치는지 밝혀내는 역동적인 실험 대상임을 증명합니다.

실제 환경에서의 자 테스트

이 자들이 실제 상황에서도 작동하는지 확인하기 위해, 팀은 이들을 단순히 병 안에 담아두지 않았습니다. 그들은 단백질이 세포의 피부 위에 놓이는 방식을 모방하여, 이 고리들을 살아있는 세포의 표면에 부착했습니다. 심지어 세포 자체의 기제(machinery)를 사용하여 세포 표면에 직접 고리를 키워내기도 했습니다. 두 경우 모두 고리는 예상대로 작동했으며, 이는 이 고리들이 살아있는 세포의 복잡하고 혼란스러운 환경에서도 잘 견딜 수 있음을 입증했습니다.

그들은 또한 '확장 현미경법(Expansion Microscopy)'에서도 이 고리들을 테스트했습니다. 이 기술은 샘플을 젤에 담가 샘플을 엿가락처럼 늘려 아주 작은 것들을 더 쉽게 볼 수 있게 만드는 기술입니다. 젤이 단백질 고리를 약 8배에서 10배 정도 팽창시킨 후에도, 과학자들은 여전히 고리의 형태와 스티커의 특정 간격을 볼 수 있었습니다. 이는 매우 중요한 성과인데, 이 단백질 자가 팽창 과정에서도 살아남을 수 있음을 보여주며, 이 특정 고성능 이미징 기술을 위한 교정 도구로서 완벽하다는 것을 의미하기 때문입니다.

결론

이 논문은 현미경의 모든 문제를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 강력한 새로운 도구를 제시합니다. 연구진은 이 원형 단백질 고리가 현미경이 거리를 정확하게 측정하고 있는지 확인할 수 있는 신뢰할 수 있고 프로그래밍 가능한 방법임을 보여주었습니다. 그들은 라벨의 개수를 다르게 구축할 수 있고, 라벨들이 간격에 따라 예측 가능한 방식으로 상호작용하며, 이 고리들이 정제된 용액과 살아있는 세포 모두에서 작동한다는 것을 증명했습니다. DNA 자만큼 정밀하면서도 '단백질과 유사한' 표준을 제공함으로써, cTRP PicoRuler는 과학자들이 미시 세계의 거리를 더 정확하게 측정할 수 있도록 도와주며, 나노 스케일에서의 생명의 진정한 구조를 이해하는 데 기여하고 있습니다.