레이저 위상판, 극저온전자현미경 한계 돌파…더 작은 단백질 본다

미국 연구진이 레이저를 이용해 기존 기술의 한계를 뛰어넘어 훨씬 작은 단백질 구조까지 선명하게 관찰하는 데 성공하며 신약 개발의 새로운 지평을 열었다.

15일(현지시간) 바이오 전문매체 바이오온에 따르면, 홀거 뮐러(Holger Müller) 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스(UC 버클리) 교수 연구팀은 '레이저 위상판'을 극저온전자현미경(cryo-EM)에 적용해 분석 능력을 획기적으로 개선한 연구 결과를 국제학술지 '사이언스(Science)'에 발표했다.

극저온전자현미경은 단백질 같은 분자 구조를 고해상도로 분석하는 기술로 신약 개발을 가속화했지만, 크기가 작은 분자를 선명하게 촬영하는 데는 한계가 있었다. 인체 단백질의 약 90%가 현재 기술로 분석하기 어려운 70킬로달톤(kDa) 미만이다.

연구팀이 개발한 레이저 위상판은 강력한 레이저 빔으로 전자빔의 위상을 변화시켜 이미지의 대비(contrast)를 극대화하는 원리다. 이는 1953년 노벨상을 받은 광학현미경의 '위상차' 기술을 전자현미경에 적용한 것이다.

이 기술을 통해 연구팀은 기존 한계치의 3분의 1 수준인 작은 단백질까지 선명하게 관찰하는 데 성공했다. 실제로 기존 기술로는 관찰 한계에 있던 혈액 내 산소 운반 단백질인 헤모글로빈 구조를 더 높은 해상도로 분석해냈다.

뮐러 교수는 "레이저 위상판이 제공하는 신호 대비 잡음비 향상은 기존 기술의 중요한 한계를 극복할 수 있게 해준다"며 "현재 50kDa 크기 단백질까지 관찰 가능하며, 곧 17kDa까지 한계를 낮출 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 기술 개발은 분자를 3차원으로 재구성하는 극저온전자단층촬영(cryo-ET) 기술에도 혁신을 가져올 전망이다. 세포라는 자연환경 속에서 단백질이 어떻게 상호작용하는지 직접 관찰할 수 있게 되기 때문이다.

바이오허브(Biohub)의 브리짓 캐러거 이미징 기술 디렉터는 "이 기술은 세포 내부에서 일어나는 일을 직접 볼 수 있게 해주는 엄청난 도약"이라고 평가했다.

연구팀은 최첨단 극저온전자현미경에 레이저 위상판을 장착해 '테이아(Theia)'라고 명명했다. 뮐러 교수는 "테이아는 현미경계의 포뮬러원 경주용 차"라며 "세계 최고의 장비가 될 것으로 기대한다"고 말했다.

스테파니 오테 바이오허브 부사장은 "한때 보이지 않던 것을 볼 수 있게 되면서 질병을 이해하는 방식이 완전히 바뀔 것"이라며 이번 기술이 생물학 분야에 가져올 파급효과에 대한 기대감을 나타냈다.