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▲  서대하 DGIST 교수팀이 연구 결과를 현미경으로 관찰하고 있다
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모세혈관 세포에서 물질 수송이 이뤄지는 유창(有窓, fenestrae, 구멍) 구조의 형성 및 패턴 형성을 분석할 수 있는 메커니즘이 국내 연구진에 의해 발견됐다. 즉, 혈관 세포의 구멍 조절 현상을 밝혀낸 것이다. 

DGIST(대구경북과학기술원, 총장 이건우) 7일 서대하 화학물리학과 교수팀의 이같은 성과를 알리면서 "혈관 질병을 이해하는 새로운 관점을 제시할 수 있게 됐다"고 밝혔다. 

우선 서 교수 연구팀은 서울 아산병원(병원장 박승일) 안과 이준엽 교수팀과 공동연구를 통해 혈관 세포막 단백질의 한 종류인 PLVAP 단백질의 공간적 자기조직화 메커니즘을 발견했다. 

PLVAP 단백질은 혈관내비세포(혈관내강이 배접하여 내막을 구성하는 한 층의 세포)에서 유창을 형성하고, 그 격막(diaphragm)을 이루는 단백질이다. 이 단백질은 혈관의 물질 투과성에 중요한 역할을 하고 있어서 다양한 혈관 질환 외에도 암, 중추신경계 질환과도 밀접한 관련이 있다. 

다양한 질병의 치표(병의 근원을 다스리지 아니하고 겉으로 나타난 증세만을 그때그때에 치료함) 표적이기에 다방면으로 연구되고 있으나, PLVAP 단백질과 유창의 형성과정 및 초미세구조의 분석 등 분자생물학적 메커니즘 규명은 초기 단계에 머물러 있다는 것이 DGIST의 셜명이다. 

이에 서 교수팀은 단일 분자 추적(Single Molecule Tracking) 광학현미경 영상기술, 영상 데이터의 머신러닝 분석 기술과 분석 내용을 해석하기 위한 '반응-확산(Reaction-Diffusion)모델'을 활용하여 PLVAP 단백질의 활동 및 유창 형성 메커니즘을 밝혀냈다. 반응-확산모델이란 화학적 '반응'과 물질의 '확산'을 변수로, Turing 패턴과 같은 공간과 시간에서 나타나는 복잡한 구조와 질서를 모델링하는 수학적 방법이다.
 

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▲ PVLAP 이동성 분석을 통한 자기 조직화 메커니즘 분석 금 나노입자의 이동 속도를 분석함으로서, 단백질의 패턴 형성에 영향을 주는 요소를 파악하고, 이를 분석하였다. (출처: Nano Letters, 2024)
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서 교수팀은 이번 연구를 통해 PLVAP 단백질은 '브라운 운동(정지 상태에 있는 액체나 기체 안에서 움직이는 미소 입자 또는 미소 물체의 빠르고 혼돈적인 운동)'과 같은 무질서한 확산과 단백질간 상호작용의 화학 평형에 놓여있지만, 세포는 주변 환경을 이용해 이들의 반응 속도를 조절함으로써 매우 규칙적인 유창을 형성하고 있음을 확인했다.

또한 PLVAP 단백질과 혈관 질환을 연구하는 의사 과학자인 아산병원 안과 이준엽 교수팀은 이번 연구에서 정상 쥐와 PLVAP 단백질 돌연변이(Knock out) 쥐를 비교하는 동물 실험을 통해 혈관 세포의 유창과 그 규칙성 손실, 혈관을 통한 물질 수송의 기능적 저하가 질병의 발병과 어떤 관계가 있는지에 대한 연구를 수행했다. 

그 결과, 기존 전통적 의학 및 생물학 방법으로 이해할 수 없었던 새로운 관점에서 세포의 형태와 기능을 조절하는 물리, 화학적 메커니즘을 밝혀낼 수 있었고, 향후 이를 바탕으로 혈관 질병을 이해하고 치료하는 새로운 의학적 접근을 시도할 수 있게 됐다.

서대하 교수는 "나노입자 합성 화학, 고분해능 현미경기술, 머신러닝 기술 등 다양한 학문의 방법론을 통해 PLVAP 단백질과 관련된 생명현상의 새로운 메커니즘을 이해할 수 있었다"면서 "이번 연구 결과가 향후 혈관 질환 치료에 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터(ERC) 기본연구사업 및 DGIST의 HRHR+, 그랜드챌린지연구혁신프로젝트(D-GRIP)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지인 <Nano Letters>에 1월에 온라인 게재(2월 표지 논문으로 출판예정)됐다. 
 

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▲  사진 왼쪽부터 서대하 화학물리학과 교수, 이원희 박사후연수연구원
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