화학과 최정모(사진) 교수가 한·미 국제 공동연구를 통해 생체 반응 조절에 유용한 액체성 구조물인 ‘생체 분자 응축체(biomolecular condensate)’의 내부 구조를 분석해 그 구조가 일반적인 액체와 다른 공간적으로 불균일한 네트워크 유체임을 밝혔다. 

이번 연구 결과는 다양한 생체 분자 응축체의 특성과 작동 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 이를 바탕으로 향후 의약품 개발, 질병 진단, 생명공학 분야 등에서의 혁신적인 응용이 가능할 것으로 기대된다. 

최근 세포생물학에서는 생체 분자 응축체의 구조와 기능이 큰 관심을 받고 있다. ‘생체 분자 응축체’는 세포 내에서 특정 생체 분자가 국소적으로 조밀하게 분포하는 덩어리를 말한다.

기존에도 생체 분자들이 세포 내에서 모여 불규칙한 덩어리를 만드는 현상은 자주 관찰됐으나, 생체 분자 응축체는 이와 달리 덩어리를 형성한 후에도 액체성을 유지하는 특성이 있다. 이 액체성으로 인해 생체 분자 응축체 내에서 분자들이 상대적으로 자유롭게 움직일 수 있으면서도 분자들을 국소적으로 포집할 수 있어 여러 생체 반응 조절에 유용하게 사용될 수 있다. 하지만 이 생체 분자 응축체가 어떠한 구조로 액체성을 띠게 되는지에 대한 일반적인 원리는 밝혀지지 않았다.

이번 연구에서는 모델 단백질을 이용해 생체 분자 응축체를 구현하고, 실험과 시뮬레이션을 종합해 지금까지 직접 밝혀진 적 없는 응축체의 내부 구조를 들여다봤다. 연구팀은 중성자 산란 실험을 통해 응축체가 무질서하게 존재하는 대신 특정한 구조를 갖고 있음을 밝혀냈고, 시뮬레이션을 이용해 이 실험 결과를 설명하는 데 성공했다. 

* 중성자 산란 실험: 시료에 고에너지 중성자 빔을 쬐어준 후 산란된 패턴으로부터 시료의 내부 구조를 알아내는 실험.

【생체 분자 응축체의 내부 구조를 중성자 산란 실험과 컴퓨터 시뮬레이션으로 밝혀낸 연구 이미지】 

이 연구 분석에 따르면, 응축체를 구성하는 단백질 분자들의 모양 때문에 개별 분자들은 주위 분자들과 아무렇게나 결합할 수 없고 일정한 구조를 이뤄야 한다. 공간적으로 불균일한 네트워크를 이루는데, 응축체 내부 분자들이 단순히 무질서하게 배열된 것이 아니라 일정한 규칙성을 띠고 배열되며 이 배열은 단순한 액체처럼 균일하지는 않다. 각 분자에 유연한 부분이 존재하기 때문에 특정한 구조를 이루면서도 고체와 같은 성질보다 액체와 같은 성질을 띠게 된다는 설명이 가능한 것이다.

이번 연구에서 제시한 생체 분자 응축체의 형성 원리는 이후 다양한 생체 분자 응축체 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 개별 분자의 구조가 전체적인 응축체의 물성에 미치는 영향을 최초로 분석한 것으로, 이러한 통찰을 응축체 설계 등에 활용해 다양한 과학 분야의 발전을 촉진하고 질병 치료와 예방에도 새로운 길을 모색하는 데 도움을 줄 전망이다.

최정모 교수는 “단백질 응축체 연구는 최근 10년 동안 가파르게 성장하고 있는 연구 분야로, 화학·물리학·생물학의 다양한 관점과 기술을 접목해 연구가 진행되고 있다”며 “이번 연구는 이러한 학제간 연구의 대표적 예로서, 분자 차원의 원리를 밝혀내기 위해 물리학적·화학적 연구 방법이 활용됐으며, 분자의 기능을 이해하고 응용 가능성을 찾기 위해 생물학적 통찰력이 필요했다”고 말했다.  

이번 연구는 부산대와 미국 워싱턴대학교 세인트루이스(Washington University in St. Louis), 미국 세인트 주드 아동 연구 병원(St. Jude Children’s Research Hospital), 미국 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 공동연구로 진행됐다. 화학과 최정모 교수는 이번 연구의 출발점이 된 시뮬레이션 모델을 개발했고, 이후 연구가 진행되면서 연구의 방향을 지도하는 역할을 맡았다. 이러한 기여를 인정받아 최정모 교수는 논문의 공동 제1저자이자 공동 교신저자로 이름을 올렸다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구 및 기초연구실 지원을 받았으며, 국제학술지 『Nature Communications』 4월 24일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Biomolecular condensates form spatially inhomogeneous network fluids(생체 분자 응축체는 공간적으로 불균일한 네트워크 유체를 이룬다)

- DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47602-z 

[Abstract]

The functions of biomolecular condensates are thought to be influenced by their material properties, and these will be determined by the internal organization of molecules within condensates. However, structural characterizations of condensates are challenging, and rarely reported. Here, we deploy a combination of small angle neutron scattering, fluorescence recovery after photobleaching, and coarse-grained molecular dynamics simulations to provide structural descriptions of model condensates that are formed by macromolecules from nucleolar granular components (GCs). We show that these minimal facsimiles of GCs form condensates that are network fluids featuring spatial inhomogeneities across different length scales that reflect the contributions of distinct protein and peptide domains. The network-like inhomogeneous organization is characterized by a coexistence of liquid- and gas-like macromolecular densities that engenders bimodality of internal molecular dynamics. These insights suggest that condensates formed by multivalent proteins share features with network fluids formed by systems such as patchy or hairy colloids.

* Reference

- Author (Pusan National University): Jeong-Mo Choi (Department of Chemistry)

- Title of original paper: Biomolecular condensates form spatially inhomogeneous network fluids

- Journal: Nature Communications

- DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47602-z