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문제 정의
따라서 최근의 Bio-AFM 연구 방향은 AFM 탐침에 의한 생체시스템의 손상을 최소화하면서 단일 생체분자의 세부구조까지도 관측할 수 있도록 공간해상도와 선명도(contrast)를 극대화하고, 생체분자의 운동을 실시간에서 관측할 수 있도록 이미징 속도를 최대화하는 연구와, 시료의 표면뿐만 아니라 내부를 3차원적으로 형상화하거나 생체분자의 특이적 상호작용을 단일 분자 수준에서 측정하는 연구 등으로 초점이 맞추어지고 있다. 이 글에서는 고해상도 이미징, 고감도 이미징, 초고속 이미징, 3차원 이미징 그리고 분자인지힘 현미경 기술 등 다섯 항목에 대하여 소개하고자 한다.
특히 AFM 기술은 시료의 종류 및 주변 환경에 관계없이 적용될 수 있기 때문에 용액상태에서의 화학 및 생물학 현상을 연구하는데 많이 활용되고 있다. 이 글에서는 다양한 AFM 기술들 중에서 생리 조건하에서의 생체분자(단백질, 핵산, 지질, 탄수화물) 및 이들의 복합체 그리고 단일 세포 등 생체시스템에 대한 AFM 연구에 초점을 맞추고자 한다.
제안 방법
AFM 탐침의 크기를 약 Inm 수준까지 최소화하고 스캐너의 정확도를 향상시킴과 동시에 힘 상수(force constant)가 작은 캔틸레버와 완화된 z-피드백 조건을 사용함으로써 시료의 손상을 최소화하고 접촉방식을 사용하여 공간해상도를 극대화하였다. 그림 1은아쿠아포린-Z(aquaporin-Z) 세포막 단백질의 2차원 결정에 대한 AFM 이미지이다.
성능/효과
나노구슬을 이용한 주사방식을 개선하고 공간해상도를 높일 경우 살아 있는 세포 내부의 3차원 이미징도 가능하리라 본다. 셋째 탐침-시료간 힘을 이용하는 AFM 기술과, 전기, 자기, 열 및 광특성을 이용한 다양한 탐침 기술이 접목된 하이브리드 Bio-AFM 기술이 구현될 것으로 본다. 이를 이용하여 하나의 생체시스템에 대하여 여러가지 특성을 동시에 측정하여 생체분자의 다양한 측면을 이해함으로써 생명현상의 본질을 규명하는데 기여할 수 있을 것으로 본다.
그림 1은아쿠아포린-Z(aquaporin-Z) 세포막 단백질의 2차원 결정에 대한 AFM 이미지이다. 약 5nm 크기의 단백질 분자들을 형상화할 수 있었고(A), 단일 단백질 분자 내 세부구조의 공간상 분포를 결정할 수 있었으며(B, C, D), 이로부터 자유에너지 조망(free energy landscape)을계산할 수 있었다(E). 현재생체분자의 고해상도 이미징 기술은 생체분자의 원자구조 모델과 비교할 수 있는 단계까지 이르러 있다.
후속연구
이를 이용하여 살아있는 세포표면에 있는 생체분자들의 분포 및 구조변화, 이동 및 반응 등을 실시간에서 그리고 단분자 수준에서 선택적으로 측정하는 연구를 수행할 수 있을 것이다. 둘째 3차원 AFM 기술에 대한 연구가 지속될 것으로 본다. 나노구슬을 이용한 주사방식을 개선하고 공간해상도를 높일 경우 살아 있는 세포 내부의 3차원 이미징도 가능하리라 본다.
둘째, 분자유전학적으로 생체분자의 일정부분을 조작하여 돌연변이체를 발현시킨 후 원형과 돌연변이체의 힘-거리 곡선을 비교함으로써 생체분자의 특이적 상호작용의 본질을 규명하는 연구를 들 수 있다. 그림 6A의 티틴(titin) 단백질에 대한 MRFM 연구 결과에 따르면 티틴 단백질을 구성하고 있는 면역글로블린 : (IG:Immunoglobulin) 도메인의 여섯 번째 아미노산 인 라이신(lysine)을 프롤린 (proline)으로 변형할 경우 힘-거리 곡선 상에서 A와 B 가닥(strand) 간에 존재하는 두 개의 수소결합에 해당하는 부분이 사라짐을 알 수 있다.
셋째, 본 연구실에서 수행되고 있는 연구로서 시료와 특이적인 상호작용을 보이는 생체분자를 이용하여 MRFM 탐침을 제조하고 이를 이용하여 세포표면 또는 나노바이오칩 상에 존재하는 특정 생체분자들의 분포와 개수를 단분자 수준에서 검출하는 연구를 들 수 있다. 현재 세포표면에 존재하는 탄수화물들을 탄수화물과 특이적 상호작용을 하는 렉틴(lectin) 단백질을 이용한 MRFM 탐침을 사용하여 검출하는 연구가 진행되고 있으며 앞으로 유사한 연구가 세포표면에 존재하는 세포막 단백질에 대해서도 진행될 예정이다.
미오신의 꼬리 부분(2, 3)이 머리-넥 부분(1)에 대하여 크고 신속한 움직임을 보인 후 느리게 움직이고 있음을 보여주고 있다. 앞으로 살아 있는 세포표면에 있는 생체분자들의 움직임을 실시간에서 관측할 수 있을 것으로 본다.
있다. 이를 이용하여 살아있는 세포표면에 있는 생체분자들의 분포 및 구조변화, 이동 및 반응 등을 실시간에서 그리고 단분자 수준에서 선택적으로 측정하는 연구를 수행할 수 있을 것이다. 둘째 3차원 AFM 기술에 대한 연구가 지속될 것으로 본다.
셋째 탐침-시료간 힘을 이용하는 AFM 기술과, 전기, 자기, 열 및 광특성을 이용한 다양한 탐침 기술이 접목된 하이브리드 Bio-AFM 기술이 구현될 것으로 본다. 이를 이용하여 하나의 생체시스템에 대하여 여러가지 특성을 동시에 측정하여 생체분자의 다양한 측면을 이해함으로써 생명현상의 본질을 규명하는데 기여할 수 있을 것으로 본다.
현재 세포표면에 존재하는 탄수화물들을 탄수화물과 특이적 상호작용을 하는 렉틴(lectin) 단백질을 이용한 MRFM 탐침을 사용하여 검출하는 연구가 진행되고 있으며 앞으로 유사한 연구가 세포표면에 존재하는 세포막 단백질에 대해서도 진행될 예정이다.
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