KOSEN 한인과학기술자네트워크

저희 실험실은 biology와 physics, 그리고 engineering이 잘 융합되어있는 몇 안되는 interdisciplinary 실험실들 중 하나입니다. 지도교수님이신 Dr. Amy Rowat은 캐나다의 Mount Allison University에서 물리학 및 수학, French, 그리고 Asian Studies로 복수 학사학위를, Technical University of Denmark의 Center for Biomembrane Physics에서 화학 석사학위를, 그리고 University of Southern Denmark에서 물리학 박사 학위를 취득하고, Human Frontiers Cross-Disciplinary Fellow로서 Harvard University의David Weitz 실험실에서 postdoc 트레이닝을 받으셨습니다. Dr. Rowat은 어려서부터 요리에 관심이 많으셨고, 요리 재료들의 특성들에 대해 끊임없는 호기심을 가져오다가, 학위과정 및 postdoc 트레이닝 기간동안 본격적으로 생물학적 물질들의 물리적/기계적 특성에 관해 연구를 시작하게 되었습니다. (보다 자세한 내용은 다음 동영상을 참조하세요: https://youtu.be/dsUrVE11wFk)

저희 실험실은 현재 4명의 박사과정 대학원생과 1명의 석사과정 대학원생, 그리고 1명의 postdoc이 다양한 생물학적 샘플들의 물리학적 특성을 측정하기 위한 물리학적 이론정립, 공학적 장치 개발, 그리고 이를 활용한 분자/세포 생물학적 연구를 동시에 수행하고 있습니다.

보다 자세히 연구분야를 소개해 드리자면, 세포나 핵의 물리적/기계적 특징들을 찾아내고, 이러한 특성들이 개체의 생리적 현상 혹은 질병에 끼치는 영향에 대해 연구하고 있습니다. 세포나 핵의 물리학적 특성들, 특히 변형성 (deformability)은 gene expression, genome integrity, 그리고 mechanotransduction 등에 매우 중요한 역할을 수행한다고 알려져 있습니다. 나아가 질병과도 밀접하게 연관되어 있는데, 대표적으로 암세포는 정상세포에 비해 더 soft 하다고 알려져 있습니다. 하지만 세포나 핵의 물리적 특성들이 어떻게 이러한 질병과 연관되어 있는지 자세한 메카니즘은 알려져 있지 않은데, 보다 효율적인 질병 진단 및 치료를 위해서는 물리적 특성들과 질병 사이의 연관성에 대한 집중적인 연구가 필요한 상황입니다. 따라서 저희 실험실은 현재 다음과 같은 분야를 중점적으로 연구하고 있습니다.

 2.1 암세포의 변형성이 스트레스에 의한 암 전이 촉진에 끼치는 영향 연구

유방암 환자를 대상으로 스트레스가 암 전이에 끼치는 영향은 기존에 연구가 되어 있었습니다. 스트레스를 받은 암환자는 암의 전이가 더 잘 일어난다고 보고되어 있는데, 그 메카니즘에 관해서는 계속 연구가 진행중인 상황입니다. 현재까지 알려진 바로는, 스트레스를 받으면 스트레스 호르몬 혹은 신경전달물질이 분비되고 이러한 내분비계 신호전달에 의해서 암세포 및 주변 조직들이 영향을 받게 됩니다. 그 결과 면역세포, 혈관계, 그리고 extracellular matrix (ECM) 등에서 변화가 생기고, 이는 주로 암세포의 전이를 돕는쪽으로 진행된다고 알려져 있습니다. 그러나 이러한 tumor microenvironment에 끼치는 영향 외에, 스트레스 호르몬이 암세포에 직접적으로 끼치는 영향, 특히 암세포의 물리학적 특성에 어떠한 변화를 유발하는지는 전혀 연구가 되어 있지 않습니다. 암세포의 변형성이 암세포의 전이에 영향을 끼치는 주요 요소중 하나이므로, 저희 실험실은 스트레스 호르몬이 암세포의 변형성 및 전이성에 영향을 줄 것이라는 가설을 세우고 유방암을 모델로 하여 in vitro 및 in vivo 분자/세포 생물학적 연구를 수행하고 있습니다.

Figure 1. 암 전이 과정에 영향을 끼칠 수 있는 다양한 물리적 요소들을 보여주는 그림. 여러 단계들 중에서 특히 individual tumor cell의 deformability와 cytoskeletal network 변화를 중심으로 연구하고 있습니다. (Clin Transl Immunology. 2016 May 13;5(5):e78.)

 2.2 암세포의 변형된 물리학적 특성들에 관한 연구

암세포는 정상세포에 비해 유전적으로 크게 변형되어 있습니다 (oncogene 및 tumor suppressor gene들의 변화). 또한 암세포의 대사 (metabolism) 또한 정상세포와는 다르다는 것이 잘 알려져 있고, 어쩌면 당연하게도 물리학적 특성들도 달라져 있습니다 (세포나 핵의 크기, 변형성 등). 저희 실험실에서는 암세포에서 변형되어 있는 저러한 물리적 특성들이 어디서 유래했는지 분자 수준에서 규명하기 위한 연구를 수행중입니다. 현재는 주로 이자암 (pancreatic cancer)를 모델로 하여 암의 진행에 따른 암세포의 물리적 특성 변화를 연구하고 있으며, 이러한 연구는 궁극적으로 암의 진단 및 치료에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대되고 있습니다.

Figure 2. 실험실에서 자체 개발하여 사용중인parallel microfiltration (PMF) 장치 (A) 및 원리 (B)를 보여주는 모식도. 공기로 압력을 가하면서 세포를 자신의 크기보다 작은 pore의 membrane을 지나가게 함으로써 상대적인 세포의 변형성을 측정할 수 있는 장치입니다. Stiff한 세포일수록 pore를 잘 통과하지 못하고, soft한 세포는 같은 조건하에서 pore를 잘 통과하므로, 최종적으로 남겨진 세포 및 media의 무게를 측정하므로써, 동시에 여러 샘플의 변형성을 측정할 수 있게 됩니다. (Sci Rep. 2015 Dec 2;5:17595.)

 2.3 세포의 물리/기계적 특성을 기반으로 한High-throughput screening 기술 개발

일반적으로 암세포는 정상세포에 비해 더 soft하다고 알려져 있는데, chemotherapeutic drug으로 암세포를 공격하면 암세포가 다시 stiff 해진다는 것이 밝혀져 있습니다. 따라서 이러한 암세포의 물리/기계적 특성을 활용하여 효과적인chemotherapeutic drug을 찾아내기 위한 연구를 수행중입니다. 이를 위해서 다양한 device 개발은 물론이고, 효율적인 데이타 분석을 위한 software적인 개발도 병행하고 있습니다.

Figure 3. 그림과 같은 microfluidic device를 제작하고, 이미 물리적 특성이 잘 알려져 있는 gel particle을 이용하여 각 device마다 transit time을 calibration 시킬 수 있습니다. 그 후, 물리적 특성이 알려지지 않은 샘플, 즉 세포의 transit time을 측정함으로써 미지의 샘플이 갖는 물리적 특성값들을 도출해 낼 수 있게 됩니다. Transit time을 측정하기 위해서는 high-speed camera와 같은 하드웨어는 물론이고, image analysis를 위한 Matlab coding과 같은 소프트웨어적인 기술도 필요한데, 모두 저희 실험실에서 자체적으로 구현해 내고 있습니다 . (Lab Chip. 2016 Aug 16;16(17):3330-9.)

 2.4 줄기세포 분화 과정에 따른 세포내 핵의 모양 변화 연구

줄기세포가 분화함에 따라 핵의 모양에도 변화가 있음이 이미 보고되어 있습니다. 이 과정에서 핵막을 구성하는 단백질들이 역동적으로 변하게 되는데, 이러한 핵의 물리적 변화가 어디에서부터 어떻게 유래하는지 이해하기 위한 연구를 수행중입니다.
관련된 내용은 다음 동영상에서 확인하실 수 있습니다: https://youtu.be/BhAP6IfykEQ

UCLA에 잘 갖춰진 연구 인프라를 활용하며 실험실 구성원들은 각 자 자신의 프로젝트를 수행하고 있습니다. 대부분의 실험실이 그러하듯, 자유로운 분위기 속에서 즐겁게 일을 하고 있으며, 실험실 규모가 크지 않으므로 구성원들끼리 가깝게 지내며 각자의 학업/커리어를 쌓아가고 있는 행복한 실험실입니다. 매주 1회 있는 전체 그룹 미팅 외에도, 언제든지 교수님과 1:1 미팅을 통해 프로젝트 진행에 도움을 받을 수 있습니다. 학부생들의 끊임없는 관심 덕분에 항상 학부생 연구원들이 실험실에서 postdoc과 대학원생들을 도와주고 있습니다. 이는 곧 research mentoring 경력에도 도움이 됩니다. 또한, 지도교수님이 postdoc및 대학원생들의 학회참여를 적극적으로 도와주셔서 국제학회에 자주 참석할 수 있는 것도 커다란 장점 중의 하나입니다. 특히 저희 실험실이 위치하고 있는 Terasaki Life Science Building 은 2010년에 완공된 새 건물이어서 매우 쾌적한 환경에서 일을 할 수 있습니다.

Figure 4. 왼쪽에서 세번째가 Dr. Amy Rowat 이고, 필자(김태형)가 바로 옆에서 포스터를 들고 서있습니다. 2016년 여름동안 research에 참여했던 UCSD의 Amgen Scholar, Kevin 학생의 포스터를 들고 기념촬영. (2016년 8월)

저희 실험실은 UCLA 캠퍼스의 남동쪽에 위치하고 있는 Terasaki Life Science Building 1층에 위치하고 있습니다 (캠퍼스 맵 참조). 저희 실험실에 관심있으신 대학원생/postdoc 분들은 Dr. Rowat 혹은 저에게 이메일로 문의 주시면 됩니다.

Figure 5. UCLA 캠퍼스 지도. 빨간색으로 표시된 건물이 Terasaki Life Science Building.

■ 주소  : Terasaki Life Sciences Building #1140
            610 Charles E Young Dr. East, Los Angeles, CA 90095
■ 전화  : +1 310-825-4076
■ 이메일  : Amy Rowat : rowat@ucla.edu
               김태형 : bioholic@gmail.com
■ 홈페이지 :
https://www.ibp.ucla.edu/research/rowat/RowatLab.html