형광 단백질 기반 레이저의 출력을 높이는 고체 단백질

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-19

매사추세츠종합병원(Massachusetts General Hospital) 웰만광의학센터(Wellman Center for Photomedicine)와 세인트앤드류대(University of St. Andrews) 연구팀이 형광 단백질을 용액 대신 고체 형태로 이용하면 발생된 빛의 세기를 크게 증가시킬 수 있다는 것을 증명했다. 이번 성과는 단백질 분자의 발광 부분을 둘러싼 자연적인 단백질 구조를 이용한 것이다. 언젠가는 이번 연구가 약물전달용으로 인체이식이 가능한 생체적합 레이저를 개발하는데 이용될 수 있을 것이다. “형광 단백질의 크기와 모양은 가장 밀집된 형태로 있을 때 밝기가 최대가 된다는 것을 우리는 발견했다. 이것은 마치 자연이 수백만 년의 생물학적 진화를 통해서 가장 밝도록 이 단백질들을 최적화시킨 것 같다. 이번에 우리가 이런 특성을 이용하여 소형 고체 레이저들을 개발한 것”이라고 광의학센터의 윤석현(Seok Hyun Yun) 박사는 말했다. 2011년에 ‘Nature Photonics’에 발표된 한 논문에서, 윤 박사와 세인트앤드류대 말테 게더(Malte Gather) 박사는 녹색형광단백질(GFP)을 발현시키도록 유전자 조작된 단일 세포를 이용하여 광자들을 짧은 레이저 펄스로 증폭시키는 기술을 설명한 바 있다. 살아있는 세포 내부에서는 형광단백질 분자가 물 분자와 다른 단백질들로 둘러싸여 있기 때문에 농도가 제한된다. 지금의 연구는 다른 장치에 통합하기가 훨씬 더 쉬운 고체 내의 형광단백질을 기반으로 하는 레이저를 개발한다는 계획이었다. 형광단백질에서 빛을 실제로 방출하는 부분인 형광단(fluorophore)은 원통형 단백질 구조로 둘러싸여 있는데, 인접한 분자들의 형광단들이 서로 너무 가까워져서 소멸(quenching)이라는 현상을 겪는 빛의 양이 증가되지 않도록 막는다. 가장 높은 농도에서조차도 이러한 구조적 특징이 자연발생 형광단백질에서의 소멸을 막는다는 자신들의 가설을 조사하기 위해서, 연구진은 다양한 농도의 GFP 용액과 건조된 GFP 박막에서 방출된 빛의 세기를 측정했고, 그 결과들을 인공 형광염료에서 발생되는 빛과 비교했다. 낮은 농도에서는 GFP와 염료 모두 수준을 높이면 형광이 증가되었고, 특정 수준에서는 인공 염료에서 방출되는 빛의 양이 떨어지기 시작해서 고체 염료로부터 어떠한 빛도 검출될 수 없게 된다. 대조적으로, GFP의 형광은 농도가 높아짐에 따라 계속해서 더 강해졌고 최대 밝기는 고체 형태에서 달성되었다. 이것은 GFP와 다른 천연 단백질의 형광단이 소멸로부터 보호된다는 이론을 뒷받침하는 것이다. 고체 형태의 GFP가 가장 밝은 빛을 발생한다는 이러한 증거를 얻은 연구진은 먼저 건조된 GFP 박막이 2개의 고반사성 거울들 사이에 샌드위치 형태로 끼워져 있는 레이저 소자를 만들었다. 저농도 GFP 용액을 이용한 소자와 비교했을 때, 고체 GFP 레이저는 레이저발진을 시작하는데 10배나 더 적은 여기에너지가 필요했다. 또 다른 장치는 용액이 건조됨에 따라 용액 속에 용해된 물질이 방울의 가장자리 둘레에 고리 형태로 증착된다는 ‘커피얼룩 효과(coffee-stain effect)’를 이용했다. 건조된 형광단백질 분자방울들에 의해 형성된 미시적인 고리 내부의 단백질 분자들에 의해서 방출된 빛이 고리 둘레로 순환하면서 증폭되어 레이저 광이 발생된다는 것이 연구팀의 실험으로 밝혀졌다. 다양한 종류의 형광단백질 고리들을 서로 가까이 두면 다색 레이저 방출을 실현할 수 있었다. 단백질 고리의 환경 습도가 변하면 방출된 빛의 세기가 변하는데, 이것은 이 효과를 기반으로 한 소자들이 감지기로 이용될 수 있다는 것을 나타낸다. “이 GFP 고리 레이저는 완전히 단백질로 제작된 최초의 레이저이다. 미래에는 생체적합 레이저들이 인체에 이식되거나 조직 내부에 포함되어 분자와 물리적 환경을 감지하고, 세포를 자극하거나, 혹은 감광 약물을 활성화시킬지도 모른다”고 윤 박사는 말했다. 이번 연구는 ‘Nature Communications’에 발표되었다. * 그림 : 적절한 조건에서 고리 형태의 구조로 자기조립되는 녹색과 빨간색 형광단백질 분자들은 레이저 광을 방출하도록 자극될 수 있다. 83732_web2.jpg http://www.bioopticsworld.com/articles/2014/12/solid-state-proteins-can-boost-fluorescent-protein-based-lasers-intensity.html