물리학과 첨단기술 December 2009 38

최신 단일분자 분광학 기술의 발전과 전망

이상화 ․홍성철

저자약력

이상화는 2007년부터 서울대학교 홍성철 교수 연구실에 들어와 단일분자 형광 분광학 기술과 광학집게를 결합하는 일을 시작하였다. 2008년에 석

사학위를 받고 현재 박사과정을 하고 있다. (door@snu.ac.kr)

홍성철 교수는 2000년에 서울대학교에서 반도체 초고속 분광학 연구로 박사학위를 받았다. 그 후 2년간 근접장광학 연구를 하였다. 2002년부터 일

리노이 대학교의 하택집 박사 실험실에서 홑분자 생물물리 실험을 하였고

2006년 9월부터 서울대학교 물리학과에서 조교수로 일하고 있다. 2009년부터 창의적 연구사업단(물리유전학 연구단) 단장을 맡고 있다.

(shohng@snu.ac.kr)

그림 1. 프렛의 원리와 나노미터 단위의 거리변화 측정.

참고문헌

[1] N. R. Guydosh and S. M. Block, Nature 461, 125 (2009).

[2] K. M. Herbert, W. J. Greenleaf and S. M. Block, Annual

Review of Biochemistry 77, 149 (2008).

[3] S. Myong, M. M. Bruno, A. M. Pyle and T. Ha, Science

317, 513 (2007).

머리말

1990년 말부터 발 하기 시작한 단일분자 분 학(single- molecule spectroscopy) 기술은 최근 다양한 분자생물학 연

구에 본격 으로 활용되며 많은 연구결과를 내놓았다. 단일

분자 형 기술과 단일분자 학집게(optical tweezers)를 이

용해 카이네신(kinesin),[1] RNA polymerase,[2] 헬리 이즈

(helicase)[3]와 같은 운동단백질의 작동 메커니즘을 밝힌 연구

들이 표 이다. 이런 배경 속에서 분자생물학 분야의 연구

자들도 많은 심을 보여 앞으로 더 많은 응용이 기 된다. 하지만 단일분자 분 학 기술은 다른 분야의 기술들과 마찬

가지로 새로운 연구 상을 이해하기 한 끊임없는 성능 향

상을 필요로 한다. 특히 여러 가지 종류의 분자들이 복잡하게

상호작용하는 생명 상을 단일분자 수 에서 연구하기 해

서는 넘어야 할 기술 한계들이 아주 많다. 그럼에도 불구하

고 단일분자 기술은 활발한 용과 더불어 기술 으로도 최

근 많은 발 을 이루어내고 있다. 그리고 이러한 최신 기술을

바탕으로 더 복잡한 상도 단일분자 수 에서 이해해 나가

고 있다. 이 지면에서는 최근 다양하게 발 한 최신 단일분자

분 학 기술들을 소개하고 이러한 발 이 어떤 방향으로 향

해 가고 있는지를 살펴보도록 하겠다. 더불어 앞으로의 단일

분자 분 학 기술에 해서도 망해보겠다.

다양한 색깔이 표현하는 단일분자의 세계:

단일분자 다색 형광 분광학

단일분자 형 분 학에서 사용되는 형 의 종류는 곧 더

많은 정보를 수 있다는 것을 의미한다. 표 인 형 분

학 기술의 하나인 단일분자 렛 기술(FRET: Fluorescence Resonance Energy Transfer)은 근 장 상호 작용에 의해

두 가지 다른 종류의 형 분자 사이에서 일어나는 에 지 이

동 상을 이용한다. 이러한 에 지의 달은 그림 1에서 볼

수 있는 것처럼 둘 사이의 거리에 따라 민감하게 달라지고, 이로부터 두 형 분자의 밝기의 비를 구하여 둘 사이의 거리

변화를 단일분자 수 에서 찰할 수 있다. 이를 특정 생체

분자에 붙이면 그 분자의 모양 변화나 서로간의 상호작용을

찰할 수 있어서 분자생물학의 단일분자 수 에서의 연구에

많이 활용되어 왔다. 하지만 기존의 단일분자 렛 기술은 두

개 형 분자를 사용해 두 지 사이의 거리변화만을 측정하

기 때문에 간단한 모양의 변화를 찰하거나 두 생체분자 사

이의 상호작용만을 찰할 수 있었다. 그러나 생명 상은 많

은 분자들이 복잡하게 상호작용하여 이루어지는 것이 부분

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그림 2. 삼색 프렛과 기존 프렛 기술의 비교.

그림 3. 일반적 광학집게의 응용.[2]

참고문헌

[4] S. Hohng, C. Joo and T. Ha, Biophys. J. 87, 1328 (2004).

[5] N. K. Lee, A. N. Kapanidis, H. R. Koh, Y. Korlann, S. O.

Ho, N. Gassman, S. K. Kim and S. Weiss, Biophys. J. 92,

303 (2007).

[6] J. R. Moffitt, Y. R. Chemla, S. B. Smith and C. Bustamante,

Annual Review of Biochemistry 77, 205 (2008).

이고 모양의 변화 역시 하나의 거리변화만으로는 세 하게

찰할 수 없기 때문에 좀 더 많은 정보가 필요했다. 이러한

기술 한계를 극복하기 해 나온 기술이 바로 세 개 이상

형 분자의 밝기 변화를 측정하는 단일분자 다색 형 분

학 기술이다.[4]

그림 2에 나타낸 것과 같이 여러 개의 형 분자의 밝기

변화를 동시에 측정해 여러 지 사이의 거리변화를 동시에

측정하면 생체분자의 3차원에서의 모양 변화를 세 히 찰

하거나 두 개보다 많은 분자 사이의 상호작용을 연구하는

데 사용할 수 있다. 하지만 여러 개 사이에서 일어나는 에

지 달 과정을 완 히 결정하기 해서는 사용되는 형 분

자의 숫자보다 더 많은 정보가 필요하다. 이러한 이유로 최

근에는 두 개 이상의 다른 장의 이 를 빠르게 교차하는

ALEX(alternating laser excitation) 기술을 용해 완 하게

여러 형 분자 사이의 거리 변화를 측정할 수 있게 되었다. ALEX 기술은 서울 학교 김성근 교수님과 재 포스텍 물

리학과의 이남기 교수님에 의해서 처음으로 삼색 렛 기술

에 용되었는데, 기 학 변조기(electro-optic modulator)를 이용해 세 가지 색깔의 이 의 세기를 상보 으로 조

함으로써 서로 교차해서 사용하는 방법이다.[5] 재 우리

연구실에서는 이를 이용해 네 가지 색깔의 형 분자들을 이

용해 생체분자들의 복잡한 상호 작용을 찰하는 사색 렛

장치를 개발하는 데 성공하 고 이를 이용해 이제까지는

찰하기 어려운 여러 가지 생체 분자 사이에서의 상호작용과

분자의 세 한 모양 변화를 동시에 찰하는 연구를 비하

고 있다.

팔이 세 개라면 할 수 있는 일들:

다중 포획 광학 집게

구나 한번쯤 팔이 세 개라도 모자란다는 푸념을 해보았

을 것이다. 하지만 정말 팔이 세 개라면 어떤 일을 더 할 수

있을까? 단일분자 분 학 기술에 있어서 형 분 학 기술이

이라면 학집게나 자기집게와 같은 단일분자 제어 기술은

팔이라고 할 수 있다. 지난 지면에서도 소개한 이 있는

학 집게 기술은 투명한 입자를 투과해 나아가는 이 빛의

이 그 입자를 방향으로 포획하는 사실을 이용한 기

술이다. 이러한 입자에 힘을 주고 싶거나 길이변화를 찰하

고 싶은 하나의 생체분자를 연결하면 그림 3에서 볼 수 있는

것처럼 피코 뉴턴 단 의 작은 힘을 가하거나 나노미터 이하

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다중포획 광학집게의 실험 모식도

다중포획 광학집게의 응용

그림 4. 다중포획 광학집게와 이를 이용한 DNA에 붙은 단백질의 검

출.[7]

그림 5. 광학집게와 단일분자 프렛의 결합 모식도. (a) 우리 연구실의

장치.[8] (b) Lang 그룹의 장치.[9]

참고문헌

[7] M. C. Noom, B. van den Broek, J. van Mameren and G. J.

L. Wuite, Nature Methods 4, 1031 (2007).

[8] Sungchul Hohng, Ruobo Zhou, Michelle K. Nahas, Jin Yu,

Klaus Schulten, David M. J. Lilley and Taekjip Ha, Science

318, 279 (2007).

[9] P. B. Tarsa, R. R. Brau, M. Barch, J. M. Ferrer, Y. Freyzon, P.

Matsudaira and M. J. Lang, Angewandte Chemie, International

Edition 46, 1999 (2007).

에서 일어나는 길이 변화도 정 하게 측정할 수 있다.[6] 하지

만 일반 으로 사용되던 학집게는 하나 혹은 두 개의 입자

만을 포획해 입자와 표면 혹은 입자와 입자 사이의 한 개의

분자에 힘을 가하거나 거리 변화를 측정하는 방법으로만 주

로 사용되어 왔다. 하지만 생체분자들을 실제 세포내 상황과

비슷하게 구성하는 것과 같은 복잡한 제어를 하기 해서는

기술 으로 한계가 있었다. 이를 해결하는 방법이 바로 여러

개의 입자를 동시에 포획해 3D로 제어하는 다 포획 기술이

다. 방법이 다양한데 표 으로 아주 빠른 시간에 포획에 사

용되는 이 를 여러 치로 바꿔주어 각 치에 있는 여러

개의 입자를 포획하는 방법이 있다. 이러한 기술을 이용해

2007년에 네덜란드의 Wuite 그룹에서는 네 개의 입자를 동

시에 포획하여 각 두 개의 입자 사이에 DNA를 연결하고 한

가닥의 DNA를 다른 DNA에 감아 미끄러지게 하여 DNA에

붙어있는 단백질을 측정해내었다.[7](그림 4 참조) 이 연구에서

볼 수 있는 여러 개의 생체 분자를 복잡하게 제어하는 기술

은 두 개 이상의 DNA와 단백질의 상호작용을 단일분자 수

에서 연구하는데 앞으로 더 많이 활용될 것으로 기 된다. 우리 연구실에서도 이러한 제어 기술을 이용해 복잡한 DNA 구조와 단백질의 상호 작용에 한 연구를 시작하고 있다.

보는 것만으로도 부족하고 만지는 것만으로도

부족하다면: 제어 기술과 형광 분광학 기술의 결합

사람이 어떤 물체를 이해하고 알아내는 방법에는 여러 가

지 방법이 있는데 이를 우리는 오감이라고 부른다. 시각, 청각, 후각, 미각, 각이 그것인데 사람들은 일반 으로 이

일부를 사용하여 물체를 느낀다. 이때 더 많은 감각을 사용할

수록 우리는 물체에 해 더 잘 이해하게 된다. 을 감고 무

언가를 만지는 경우와 반 로 만지지 못하지만 으로만

야하는 경우를 생각하면 두 경우에서 우리가 물체에 해 얻

을 수 있는 정보는 다를 것이고 두 감각을 모두 사용하면 훨

씬 더 많이 그 물체에 해 이해하게 될 것이다. 이것은 자연

과학의 실험에서도 마찬가지인데 단일분자 분 학 기술에서

는 분자제어 기술과 형 분 학 기술의 결합을 여러 감각을

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그림 6. STED 현미경의 원리와 간단한 모식도.[12]

참고문헌

[10] J. van Mameren, P. Gross, G. Farge, P. Hooijman, M.

Modesti, M. Falkenberg, E. J. G Peterman and G. J. L.

Wuite, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 18231 (2009).

[11] Method of the Year 2008, Nature Methods 6, 1 (2009).

[12] T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner and S. W. Hell,

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 8206 (2000).

[13] A. Yildiz, J. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. Goldman

and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).

[14] S. T. Hess, T. P. K. Girirajan and M. D. Mason, Biophys.

J. 91, 4258 (2006).

[15] M. J. Rust, J. Bates and X. Zhuang, Nat. Methods 3, 793

(2006).

이용해 물체를 이해하는 것처럼 생각할 수 있다. 이러한 기술

은 생체분자를 복잡하게 제어하면서 분자의 모양변화를 동시

에 찰할 수 있기 때문에 복잡한 세포내 생체분자들의 작동

과정을 연구하는데 유용하게 활용될 것으로 기 된다. 이러한

결합은 많은 기술 어려움에도 불구하고 많은 연구그룹들에

의해서 시도되어져 왔는데 그림 5에서와 같이 2007년 우리

연구실과 매사추세츠 공과 학의 Lang 그룹에 의해 비슷한

시기에 보고된 학집게와 단일분자 렛기술의 결합이 표

이다.[8,9] 우리 연구실에서는 이를 이용해 DNA 특이구조 사

이의 변이 속도가 힘에 의해 달라진다는 것을 찰하 다. 그

밖에도 다 포획 학집게 기술과 단일분자 형 이미징 기

술도 최근 개발되었다.[10] 우리 연구실에서도 자기집게와 결

합된 단일분자 렛기술과 학집게와 결합된 다색 렛기술

을 개발하는 데 성공하 다.

회절한계를 넘어: 초고해상도 형광 현미경의 개발

앞서 소개한 단일분자 렛기술은 표지한 형 분자들 사이

의 거리변화를 통해 나노미터 이하의 정 도로 생체분자의

미세한 구조변화를 측정해 낼 수는 있지만 직 그 분자의

상을 얻어낼 수는 없다. 직 모양을 보는 것보다 더 좋은

방법은 없기 때문에 이제까지 많은 연구자들은 분해능이 좋

은 학 미경을 개발하고자 부단히 노력하 다. 하지만 오

랜 시간 많은 연구자들의 노력에도 불구하고 향상된 분해능

의 미경은 큰 기술 한계에 직면하게 되었다. 이것이 바로

회 한계라고 불리는 것인데 1800년 독일의 물리학자

Ernst Karl Abbe에 의해 라는 식으로 알려지게 되

었다. 이것에 의하면 학 미경의 분해능은 사용되는 가시

선의 장의 반보다 좋아질 수 없기 때문에 략 200에서

300나노미터의 분해능이 학 미경의 한계가 된다. 하지만

많은 생체분자의 크기는 이보다 작아서 생체분자의 모양을

단일분자 수 에서 보는 것이 불가능하다고 여겨지게 되었다. 하지만 최근 이를 해결해 면 에서 나노미터 단 의 분해

능으로 생체분자를 찰하는 고해상도 미경이 개발되었

다. 이 업 은 실험 방법들을 소개하는 명 학술지 Nature Method에서 2008년에 가장 에 띄는 기술로 선정되기도

하 다.[11] 그럼 고해상도 미경은 어떻게 회 한계를 극

복할 수 있었을까? 크게 두 가지 방법이 사용되었는데 이를

바탕으로 고해상도 미경도 다음의 두 가지로 나 어진다. 먼 , 나노미터 단 의 작은 공간을 국소 으로 조명하여 형

을 측정해내는 방법이 있다. 국소 으로 조명해 그곳에서만

나오는 빛을 측정해내면 그만큼의 분해능을 얻을 수 있다는

것인데 특수한 방법을 통해 이것이 가능하다. 가장 표 인

방법이 바로 STED(stimulated emission depletion)이다.[12]

이는 그림 6에서 볼 수 있는 것처럼 형 분자를 활성화시

키는 하나의 이 spot에 작은 구멍을 가진 도넛 모양의

다른 이 빛을 빠른 시간에 첩시킴으로써 겹쳐지는

역의 빛을 이는 방법이다. 이를 이용하면 국소 으로 형

분자를 조명하여 나노미터 단 의 분해능으로 상을 얻어낼

수 있다. 이 기술은 독일 막스 랑크 연구소의 Stefan Hell에

의해 최 로 개발되어 나노미터 분해능으로 하나의 뉴런의

이미지를 얻어낸 것과 같은 나노미터 단 의 생체분자 이미

지를 얻는데 활발히 사용되고 있다(그림 7 참조). 두 번째는

지난 지면에서도 소개한 바 있는 피오나(FIONA)기술[13]

에서

수집하는 빛알의 수를 늘려 이미지의 심 치를 더 정확하

게 결정하는 원리를 같이 면 이미징 기술에 용하여

나노미터 단 의 분해능을 얻어내는 방법이다. 하지만 이러한

원리를 면 이미징 기술에 용하기 해서는 면 에

분포하는 형 분자 사이에 겹침을 여 심 을 정확히 측

정해내야 한다. 이것은 빛에 의해 활성이 시작되는 형 단백

질과 빛에 의해 형 이 켜지고 꺼지는 형 분자 을 이용하

는 각각 다른 두 가지 방법으로 미국 국립보건연구소의

Jennifer Lippincott-Schwartz 그룹과 하버드 학의 Xiaowei Zhuang 그룹에 의해 해결되어 2006년에 PALM(photo-activation localization microscopy)[14]과 STORM(stochas-

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그림 7. 초고해상도 현미경을 이용해 향상된 이미지들.[16-18]

tic optical reconstruction microscopy)[15]이라는 이름으로

세상에 알려지게 되었다.(그림 7 참조) 두 방법 모두 형 분

자를 국소 으로 활성화시켜 겹침 없이 심 을 정확히 결

정하고 이를 모아 나노미터 단 의 면 이미지를 얻어낼

수 있다. 그리고 이를 이용해 최근에 리소좀(lysosome), 골지

체(Golgi apparatus)와 같은 구조에 분포하는 단백질들의 분

포를 단일분자 수 에서 성공 으로 찰해내었다.[16] 1987년 단일분자 형 신호를 처음으로 찰하여 단일분자

분 학의 문을 열었던 스탠포드 학의 Moener 교수는 이

같은 고분해능 미경이 단일분자 분 학 기술의 발 을

마무리 지었다는 표 을 할 정도로 그 발 에 경이를 표했다. 이 기술은 이제까지 볼 수 없었던 많은 상들을 직 찰

할 수 있다는 에서 앞으로 더 큰 활용이 기 된다. 하지만

살아있는 세포에 용하는 것의 어려움과 같이 해결해야 할

많은 문제들도 남아있다.

맺음말

더 작게 볼 수 있고 한 더 세 하게 찰할 수 있으며

더 복잡하게 제어할 수 있는 기술들을 지 까지 살펴보았다. 앞서 소개된 최신 기술들에 볼 수 있는 것처럼 단일분자 분

학 기술들은 복잡하게 작동하는 생명 상들을 이해하기

해 더 많은 정보를 얻을 수 있는 방향으로 발 해 나가고

있다. 하지만 이러한 기술들은 아직도 많은 한계에 직면해 있

다. 표 으로 이러한 실험들을 세포 내에서 가능하도록 하

는 일이 있는데 이를 해결하기 한 여러 가지 노력들도 시

도되고 있다. 그리고 언젠가 이러한 한계도 넘어낼 것으로 생

각된다. 본격 으로 단일분자 분 학이 시작된 것도 이제 20년이 넘어가고 있다. 하지만 그 발 의 속도는 아직도 더 빨

라지고 있고 더 많은 연구 결과들이 발표되고 있다. 이것이

필자가 앞으로 20년을 더 기 하는 이유이다. 덧붙여 국내

단일분자 분 학 분야 연구도 최근 더 많은 연구그룹이 생겨

났고 좋은 연구들이 활발히 진행되고 있다. 이 분야 발

의 심에 국내의 연구그룹이 함께 하기를 간 히 기 해 본

다.

참고문헌

[16] E. Betzig, et al., Science 313, 1642 (2006).

[17] M. Bates, B. Huang, G. T. Dempsey and X. Zhuang,

Science 317, 1749 (2007).

[18] Kelly Rae Chi, Nature Methods 6, 15 (2009).