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[1] Mass Spectrometry Imaging of Plant Metabolites
(식물대사체의 이미질량분석법)

동물들과 마찬가지로 식물체는 다세포생명체의 특성상 각종 세포들간의 유기적인 신호전달 및 상호협조가 중요합니다. 특히나 동물들과 달리 유동성부족과 면역기능의 한계를 극복하기 위해 각종 화학적대사체 시스템이 잘 개발되어 있습니다. 하지만 단백질과 같은 생화학적 고분자물질과는 달리 이러한 작은 분자들의 이미징분석법은 많은 제약이 따르며 기존의 형광이미징법 등을 적용할 수가 없습니다. 이에 따라 질량분석법을 이용한 이미징법이 식물대사체의 이미징을 위한 새로운 기법으로 각광을 받고 있으며 저희 연구실에서는 이와 관련된 기술 개발 및 각종 식물연구에 대한 적용에 노력를 기울이고 있습니다. 저희의 궁극적 목적은 세포수준 혹은 그 이하의 분해능을 가진 질량분석 이미징개발을 통해 기존에는 불가능했던 식물대사체 메카니즘 이해에 있습니다.

그림설명: Arabidopsis thaliana꽃의 표면에 분포한 각종 왁스지질체를 12마이크론의 해상도의 이미징 질량분석법으로 분석한결과 (C29알칸, C29 키톤, C26 지방산), Ji Hyun Jun et al., Anal. Chem. 82, 3255-3265, 2010.

이미징 질량분석법의 최대의 단점은 기존의 전통적 대사체 분석에 흔히 사용하는 크로마토피 기법과 같은 분리분석법을 사용할 수 없다는 점입니다. 이로 인해 대사체확인에 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위해 멀티플렉스 이미징 질량분석법을 개발했는데 이방법에서는 하이브리드 이온트랩 오비트랩 질량분석기를 이용하여 고분해능 질량분석기로 분자량을 정확히 측정하고 이와 동시에 탄뎀 질량분석법으로 그 구조를 분석하는 방법입니다. 다시말하면 기존의 LC-MS/MS 분석방법론을 MALDI (Matrix-assisted Laser Desorption Ionization) 질량분석 이미으로 가져왔다고 할 수 있습니다.

그림설명: (왼쪽) 각각의 이미징 픽셀에서 여러단계의 질량분석 스펙트럼습득하는 일러스트레이션 (오른쪽) 아라비돕시스 꽃잎에 이방법을 적용하여 여러가지 정보를 얻게된 예. 특히 MS/MS 이미징을 통해 분자량이 같고 구조가 다른 대사체의 분포를 구별함.

또한 최근에는 분해능을 5마이크론 까지 줄여 단세포 이내의 대사체 분포에 대한 연구를 가능하게 하였습니다. 아래 그림은 옥수수 잎의 단면을 5마이크론의 해상도로 얻은 지질체 분포도 입니다. 서로 다른 두 광합성 세포(bundle sheath, mesophylls)가 이미징 질량분석법으로 구별되는 것을 수 있습니다 (SQDG는 두 세포에 모두 존재, PG는bundle sheath에만 존재). 또한 HMBOA-Glc(2-hydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one glucoside)와 같은 식물방어에 중요한 역활을 하는 물질이 매우 특정한mesophyll에만 존재하는 것을 볼 수 있으며 각종 플라본 대사체(e.g. maysin, luteolin)들이 각기 조금씩 다른 분포를 하는 것을 또한 볼 수 있습니다. 이러한 결과는 기존 식물연구에서 알려져 있지 않던 사실들을 새로운 분석화학 기법을 통해 연구할 수 있음을 보여줍니다.

[2] High-resolution Mass Spectrometric Analysis of Bio-oils
(바이오 오일의 고분해능 질량분석법 개발)

새로운 대체에너지로 주목을 받고 있는 기술 중 하나가 바이오매스를 열화학적인 방법으로 농축된 에너지 형태인 바이오오일로 바꾸는 것입니다. 이러한 연구는 셀룰로오스 에탄올기술과 아울러 일세대 바이오에탄올기술과 삼세대 미세조류(micro algae)기술을 연결할 이세대 바이오오일 기술로 여겨지고 있습니다.

이 기술이 사용화 되기위한 현재가진 한계는 이렇게 얻어진 바이오오일의 성분분석기술의 한계와 열화학적 반응에대한 분자수준에서의 부족한 이해등이 있습니다. 저희는 고분해능 질량분석법을 이용하여 바이오오일에 존재하는 수백여종의 성분을 분석한 바 있으며 이를 이용하여 질소성분화합물의 동정을 성공적으로 한 바 있습니다.

최근에는 이러한 열분해반응을 분자수준에서 실시간으로 분석하는 기술을 개발하여 이에 대한 반응동력학적 이해를 돕고자 하고 있습니다.

한국 학생으로는 2012년에 전지현박사가 학위를 마치고 귀국하였고 2011-2012에 박수진박사가 박사후연구과정을 마쳤습니다. 현재는 실험실에 한국학생이 없습니다만 아이오와 주립대학 화학과 대학원에는 매년 여러명의 한국학생이 입학하고 있습니다. 매년 미국질량분석학회(American Society for Mass Spectrometry)에 전원이 참석하고 있으며 그외 각종 학회참석을 통해 견문을 읽히고 연구개발성과를 교류하고 있습니다. 겨울에는 다소 추운 것이 아이오와의 단점이긴 한데 그외는 매우 조용하고 인정많은 미드웨스트의 소도시에서 연구개발에 매진하고 있습니다.

■ Address: 35A Roy J. Carver Co-Lab, Iowa State University, Ames, IA 50011, USA
■ Phone: (1)-515-294-1235
■ E-mail: yjlee at iastate.edu
■ Home page: http://yjlee.public.iastate.edu/

■ Des Moines international airport에서 셔틀이나 렌트카로 I-35N를 따라 50분가량 에임스로 오시면 됩니다. Roy J. Carver Co-Lab은 식물과학연구소(Plant Science Institute)가 자리잡은 곳으로 화학과 건물북쪽 주차장 29의 서쪽 끝에 있습니다.