생화학분자생물학회

Multiplexed and Scalable Super-Resolution Imaging of Three-Dimensional Protein Localization in Size-Adjustable Tissues

홍성철, 이준석 (한국과학기술연구원 분자인식연구센터)

  포유동물의 뇌는 수 천 가지의 세포들이 기능적 네트워크를 이루며 연결되어있다. 이러한 복합체의 상관관계를 이해하기 위해서는 세포 간의 연결성을 찾는 것 뿐만 아니라, 개별 세포 내에서 동시에 일어나는 단백체들의 반응을 규명하는 것이 필요하다.​

  최근 항체 라이브러리 기술의 발달로 70% 이상의 인간 단백체와 그에 상응하는 세포 구조를 탐지할 수 있게 되었다. 또한 다채널 고분해능 현미경의 등장으로 개별 세포 내에서 극히 작은 구조체를 동정하는 것도 가능해졌다. 그러나 이렇게 관찰된 세포 이하 크기의 구조체들을 세포보다 큰 스케일에서 재건하고 세포 간의 관계를 살펴보는 기술은 아직 발전해야하는 부분으로 남아있다.​

미국 MIT의 정광훈 교수 연구진은 하이드로겔과 세포조직을 혼성시키는 방법을 통해 3차원적으로 단백체의 구조를 보존하면서도 가역적으로 팽창시키는데 성공하였고, 이를 활용해 세포간의 연결성을 조직 수준에서 관찰하였다. ​

  먼저 세포 조직에 고농도의 Acrylamide를 처리하면, 1차 아민과의 반응을 통해 단백질의 가교현상을 약화시키게 된다. 이후 중합반응을 통해 조직과 하이드로겔을 혼성물로 변화시키면 그 구조를 유지하면서 4-5배 가량 가역적으로 팽창이 가능하게 된다.

  해당 기법은 심장, 폐, 척수 등 다양한 조직에 적용할 수 있었다. 또한 상용화된 항체를 사용하여 면역표지한 결과, 항체 122종 중 100종이 사용가능했으며 항체가 표지할 수 있는 51개의 표적 중 43개를 이미지화 할 수 있었다. 팽창된 조직은 기존의 이미지보다 향상된 이미지를 제공하였는데, 약 60 nm의 측면 분해능을 보였고 최대 8 mm 두께의 샘플까지 관찰 가능하였다. 추가로 연구진은 고분해능 현미경을 통한 뇌 투사 및3차원 구조 영상을 구현하였다. 쥐의 전체 뇌를 7일 간 선형적으로 4배 가량 팽창시킨 후, 신경 섬유의 다채널 이미지를 획득할 수 있었다.

  MAP(Magnified Analysis of The Proteome)이라고 명명된 이 기법은 단백질 분해효소 없이 다양한 장기들에 적용할 수 있고, 가역적으로 사이즈를 조절할 수 있는 등 간편하고 적용범위가 넓다는 장점을 갖고 있다. 기존의 이미징 기술들과 접목하여 생물학 시스템 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

논문 출처 : Nat Biotechnol  2016; 34, 973-81

저자 : Ku T, Swaney J, Park JY, Albanese A, Murray E, Cho JH, Park YG, Mangena V, Chen J, Chung K 

그림 1. MAP의 원리 및 절차에 관한 개념도​

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