UNIST, 단백질-DNA 결합 방해 원인 밝혀…표면 설계 기준 제시

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 DNA 손상 복구 과정을 관찰하는 데 널리 사용되는 상용 양자점(Quantum Dot)이 오히려 단백질과 DNA의 결합을 방해할 수 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 연구팀은 간섭을 줄이면서도 형광 성능은 유지할 수 있는 양자점 표면 설계 기준까지 제시해 단분자 이미징의 정확도를 높일 수 있는 기반을 마련했다.

UNIST는 생명과학과 이자일 교수와 에너지화학공학과 박종남 교수 공동연구팀이 상용 양자점 표면의 폴리에틸렌글리콜(PEG)이 단백질과 DNA의 결합을 방해한다는 사실을 규명하고, 이를 최소화할 수 있는 표면 설계 기준을 제시했다고 9일 밝혔다.

DNA 손상 복구는 복구 단백질이 DNA를 따라 이동하며 손상 부위를 찾아 결합한 뒤 복구를 수행하는 과정이다. 이 과정을 정확히 이해하려면 단백질과 DNA가 결합하는 순간을 실시간으로 관찰하는 기술이 필수적이다.

양자점은 기존 형광염료보다 밝기가 뛰어나고 오랫동안 형광을 유지하는 특성 때문에 단분자 이미징 분야에서 널리 활용된다. 그러나 연구팀은 DNA 손상 복구 단백질인 XPA를 양자점으로 관찰하는 실험에서 양자점 농도가 높아질수록 XPA가 DNA에서 쉽게 분리되는 현상을 확인했다.

원인을 분석한 결과 양자점 표면을 감싸는 PEG가 단백질과 DNA의 결합력을 떨어뜨리는 것으로 나타났다. 반면 PEG 대신 덱스트란을 적용한 양자점에서는 이러한 간섭 현상이 나타나지 않았고, 또 다른 DNA 손상 인식 단백질인 UV-DDB에서도 같은 결과가 확인됐다.

연구팀은 PEG가 양자점 표면에서 차지하는 비율을 7% 미만으로 유지하면 단백질과 DNA의 결합은 유지하면서도 양자점의 밝기와 수용액 안정성은 그대로 확보할 수 있다는 기준도 제시했다.

이 같은 설계를 적용한 추가 연구에서는 XPA가 DNA 손상 부위를 탐색할 때 DNA를 따라 이동하는 '1차원 확산'과 용액 속에서 직접 손상 부위를 찾아가는 '3차원 충돌' 방식을 함께 활용한다는 사실도 확인됐다. 특히 실제 세포 환경처럼 단백질 농도가 높은 조건에서는 3차원 충돌 방식이 더욱 큰 역할을 하는 것으로 분석됐다.


박종남 교수는 "양자점 표면 물질의 종류와 비율을 정밀하게 조절해 형광 특성과 안정성은 유지하면서 생체분자 간섭은 크게 줄일 수 있었다"며 "이번 설계 전략은 다양한 나노입자 기반 생명과학 연구 도구 개발에도 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이자일 교수는 "상용 양자점이 단순한 관찰 도구를 넘어 단백질과 DNA의 결합 자체에 영향을 줄 수 있다는 점을 처음으로 체계적으로 확인했다"며 "새롭게 설계한 양자점이 생체분자의 자연스러운 상호작용을 유지하면서 단분자의 움직임을 보다 정확하게 관찰하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단과 기초과학연구원, 산업통상자원부 기술혁신사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 Nano Convergence에 지난 6월 3일 온라인 게재됐다.


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