초록 ▼

본 연구는 키네신, 마이오신, 다이네인과 같은 대표 모터단백질의 다양한 동역학적 성질, 세포막 단백질 변형에 따른 이온채널 간의 동역학적 상호작용 메커니즘 등을 기술할 수 있는 통계물리학적 모형들을 제시하여 다양하게 알려져 있는 실험결과들을 이론적으로 입증하고, 나아가 새로운 연구방향을 제시함을 목표로 하였다. 특히, 가장 실험적 연구결과가 많이 알려진 키네신-1의 동역학을 집중 연구하였는데, 이를 위해 본 연구책임자가 개발한 ‘generalized active Brownian particle’ 모형을 수정, 발전시켜 키네신-1 하

본 연구는 키네신, 마이오신, 다이네인과 같은 대표 모터단백질의 다양한 동역학적 성질, 세포막 단백질 변형에 따른 이온채널 간의 동역학적 상호작용 메커니즘 등을 기술할 수 있는 통계물리학적 모형들을 제시하여 다양하게 알려져 있는 실험결과들을 이론적으로 입증하고, 나아가 새로운 연구방향을 제시함을 목표로 하였다. 특히, 가장 실험적 연구결과가 많이 알려진 키네신-1의 동역학을 집중 연구하였는데, 이를 위해 본 연구책임자가 개발한 ‘generalized active Brownian particle’ 모형을 수정, 발전시켜 키네신-1 하나가 microtubule 상에서 일정한 평균보폭으로 움직이는 현상, 평균속력, stall force 등 실험적으로 잘 알려진 값들을 유사하게 예측하는 모형을 구축하였다. microtubule과 키네신-1과의 상호작용을 반영하기 위해 ratchet 퍼텐셜을 도입하였는데, 모터단백질의 일정보폭운동은 ratchet 퍼텐셜에 의한 것이 아니고 active system의 에너지 변환방식에 의한 것임을 보이는 계기도 되었다. stall force는 모터단백질의 평균속력이 영이 되게 하는 힘을 의미하는데, 평균속력이 영이라고 해서 모터단백질이 거의 움직이지 않는 것이 아니라 앞으로 가는 보폭수와 뒤로 가는 보폭수가 같음을 얻었고, 이 또한 실험 결과와 일치한다.
또한, 방향성을 갖는 특정 모터단백질들은 세포 내 물질수송에 중요한 역할을 하는데, 일반적으로 하나의 모터단백질이 물질수송을 담당하는 것이 아니라 여러 개의 다양한 모터단백질이 관여하는 것으로 알려져 있어, 키네신-1의 동역학연구를 cargo 수송 동역학연구로 확장하여 수행하였다. cargo는 세포 내 이동이 필요한 물질을 담은 소포체 등을 의미하는데, 본 연구에서는 cargo에 여러 개의 키네신-1 모터단백질이 탄성적으로 연결되어있는 상황을 모형화하여 그 동역학을 전산모사하였다. 즉, cargo에는 외력이 작용할 수 있고, 모터단백질들은 active Brownian particle로 간주하고, cargo와 키네신-1들은 각각 용수철로 연결되어진 모형을 구축하여, cargo-키네신 복합체의 여러 동역학적 성질을 살펴 본 결과, 본 모형이 가장 잘 알려진 두 가지 실험적 현상을 잘 기술함을 알 수 있었다. 즉, cargo-키네신 복합체의 평균속력이 결합된 모터단백질 수에 민감하지 않다는 것과 stall force는 모터단백질 수에 선형적으로 비례한다는 것이다. 물질수송을 빨리 할 수 있는 것도 아닌데 여러 개의 모터단백질이 관여하는 것은 매우 복잡하고 조밀한 세포 내부 구조에서 물질수송의 효율성을 위해 필수적인 것으로 이해된다. cargo-모터단백질 복합체 동역학연구에서는 키네신-1의 생리적 수치들을 이용하였으나, cargo 크기나 모터단백질과의 결합탄성계수에 따른 동역학 분석도 하였으며, cargo와 모터단백질 사이의 거리분포도 살펴보았다. 이러한 결과는 아직 실험적으로 알려져 있지 않아 실험방향을 제안하는 계기가 되리라 본다.
모터단백질의 동역학 연구를 하는 과정에서 본 연구에서 개발된 active Brownian particle모형의 근본적 이해의 필요성이 도출되어 본 모형에 대한 물리학적 고찰도 병행하였다. 기존에 알려진 active Brownian particle모형과 본 모형의 기본적 차별성은 에너지변환함수인데, 우리의 에너지변환함수는 기존모형이 속력에 대한 2차항만 갖고있는 반면에, 속력에 대한 1차항과 2차항을 동시에 갖고 있다. 속력에 대한 1차항에 의해 모터단백질의 방향성 동역학이 잘 기술되는 것이다. 따라서 속력에 대한 1차항과 2차항의 비중에 따라 동역학이 어떻게 변하는 가를 선형 퍼텐셜 하에서 집중 분석하였고, 각 항의 비중에 따라 선형퍼텐셜을 순행만, 역행만, 순행 역행 모두 가능한 영역을 찾았고 또한 온도에 따른 변화도 함께 전산모사하였다.
앞에서 기술한 모터단백질의 동역학 연구결과는 두 편의 논문으로 발표되었고, cargo-모터단백질 복합체 동역학 연구결과와 새로 보완 개발된 active Brownian particle 모형에 대한 연구결과는 현재 논문작성 중에 있다. 또한, cargo-모터단백질 복합체 동역학 연구를 통해 한 명의 석사학위자를 배출하였고, 새로 보완 개발된 active Brownian particle 모형에 대한 연구를 통해 다른 한 명의 석사학위자가 배출될 예정이다 (2015년 2월 졸업예정).