DNA 손상 복구 과정을 추적하는 데 쓰이는 상용 양자점이 오히려 단백질과 DNA의 결합을 방해할 수 있다는 사실을 UNIST 연구진이 처음으로 규명했다. UNIST 제공
DNA가 손상되면 복구 단백질들이 DNA 위를 돌아다니며 손상된 곳을 찾고, 손상 부위를 잘라내거나 고친다. 질병과 밀접한 DNA 손상 복구 기전을 이해하려면 DNA와 단백질의 '만남' 과정을 살펴봐야 하는 이유다.
UNIST 생명과학과 이자일 교수와 에너지화학공학과 박종남 교수 공동연구팀은 상용 양자점 표면의 폴리에틸렌글리콜(PEG)이 단백질과 DNA의 결합을 방해한다는 사실을 규명하고, 이를 막을 수 있는 표면 설계 기준을 제시했다고 9일 밝혔다. 양자점은 일반 형광 염료보다 밝고 빛을 오래 내, 관찰 대상 단백질에 형광 꼬리표처럼 붙여 움직임을 추적하는 나노 물질이다.
연구에 따르면 양자점 표면에 PEG가 과도하게 입혀지면 단백질과 DNA 사이의 결합이 약해진다. 원래 PEG는 양자점을 수용액에 분산시키고 항체(관찰 대상 단백질에만 결합하도록 돕는 물질)를 연결하기 위해 표면에 입히는 고분자다. 하지만 이 비율이 지나치게 높으면 관찰 대상의 결합까지 방해하는 부작용이 있었다.
연구팀은 DNA 손상 복구 단백질인 XPA와 DNA 간 결합을 관찰하던 중, 상용 양자점의 농도가 높아질수록 XPA가 DNA에서 떨어지는 현상을 발견해 연구에 착수했다. 양자점의 종류와 크기, 연결된 항체와 DNA 구조를 바꿔도 결과는 같았다. 원인은 표면 성분인 PEG였다. 분자 크기가 다른 PEG를 직접 투입해도 XPA가 DNA에서 떨어진 반면, 다른 고분자인 덱스트란은 결합을 방해하지 않았다. 또 다른 DNA 손상 인식 단백질인 UV-DDB에서도 같은 현상이 확인돼, 다양한 단백질-DNA 연구에서 유사한 간섭이 발생할 수 있음을 시사했다.
이에 연구팀은 양자점 표면의 PEG 계열 성분 비율이 7% 미만일 때 결합이 안정적으로 유지된다는 기준을 찾아냈다. 비율을 낮춘 양자점은 밝기와 수용액 내 안정성도 유지해 단분자 관찰에 적합했다.
나아가 새 양자점을 이용해 XPA가 DNA 손상 부위를 찾는 방식도 밝혔다. XPA는 DNA 가닥을 따라 움직이는 '1차원 확산'과 용액 속을 돌아다니다가 벌어진 DNA 구조에 직접 부딪히는 '3차원 충돌'을 모두 이용했다. 단백질 농도가 낮을 때는 1차원 확산이 유리하지만, 세포 내 농도가 높은 XPA는 주로 3차원 충돌 방식으로 표적을 탐색했다.
이번 연구에는 UNIST 김영서(생명과학과)·김혜림(에너지화학공학과) 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
박종남 교수는 "양자점 표면 물질의 종류와 비율을 정밀 조절해 밝기와 안정성은 유지하면서 생체분자 간섭은 줄였다"며 "이 설계 방식은 다양한 나노입자 기반 생물학 연구 도구 개발에 활용될 것"이라고 설명했다.
이자일 교수는 "상용 양자점이 관찰 도구에 그치지 않고 단백질과 DNA의 결합 자체를 흔들 수 있음을 처음 체계적으로 확인했다"며 "새 양자점은 생체분자의 원래 상호작용을 유지하며 움직임을 정확히 관찰하는 데 쓰일 것"이라고 말했다.
한편 한국연구재단(NRF), 기초과학연구원(IBS), 산업통상부 기술혁신사업 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 '나노 컨버전스'에 6월 3일 온라인 게재됐다. 김미영기자 lalala4090@
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