[아주대학교] 화학생물학 및 분자생명이미징 실험실
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화학생물학 및 분자생명이미징 실험실은 아주대학교 공과대학에 속해 있는 연구실로, 김은하 교수님을 중심으로 현재 3명의 박사과정생과 3명의 석사과정생, 그리고 1명의 학부생 인턴생으로 이루어진 소규모 랩입니다. 연구실의 중심 연구 주제는 융합학문 분야인 화학 생물학에 있습니다. 즉 화학적 방법과 기술을 활용하여 생명현상을 이해하거나 조절할 수 있는 저 분자 물질들을 개발하여 암이나 치매와 같은 난치성 질환 치료에 도움을 줄 수 있는 물질 및 기술 개발을 목표로 연구를 진행하고 있습니다.
저희 실험실은 이러한 화학생물학 분야에서도 현재 특정 형광 분자의 화학구조가 그 분자의 형광 현상에 미치고 있는 영향에 대해 이해하고, 이러한 이해를 바탕으로 형광 센서, 바이오 프로브 분자들의 개발 및 다양한 응용 기술들의 개발 연구에 집중하고 있습니다.
1. 표적 단백질 특이적 형광 바이오 프로브 개발
저희 연구실에서는 세포안에 있는 표적 단백질을 선택적으로 조영 할 수 있는 형광 바이오 프로브들을 개발하고 있습니다. 분자의 화학적 특성에 대한 이해를 바탕으로 리간드와 형광체를 결합시켜 여러 가지 다양한 형광 바이오 프로브들을 개발하고 있습니다. 최근의 연구는 이러한 실험실의 개발 전략을 잘 보여주고 있습니다. 예전부터 종양관련 대식세포 (tumor-associated macrophage; TAM) 가 종양의 성장에 있어서 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀 졌습니다. 특히 TAM은 암의 성장, 전이 등 전반적인 종양 미세환경과 관련하여 중요한 역할을 담당하고 이어 종양 주변에 많은 숫자의 TAM이 존재하는 환자의 예후 및 생존율이 좋지 못한 것으로 알려져 있습니다. 우리 실험실에서는 수용체 타이로신 인산화효소 (receptor tyrosine kinase; RTK)중 하나는 MERTK를 표적으로 하는 UNC2025 약물에 새로운 근적외선 형광체로 알려져 있는 Silicon-rhodamine fluorophore(SiR)를 결합하여 새로운 Meri-SiR 형광 바이오 프로브를 개발할 수 있었습니다. 이러한 형광 바이오 프로브 개발을 위해, 우리는 MERTK를 선택적으로 조영할 수 있다는 것을 알 수 있었으며 특히 MerTK 단백질 발현이 많은 TAM이 간에서의 전이성 대장암에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 관찰할 수 있었습니다.
MERi-SiR를 활용한 Mer 발현 Macrophage 선택적 in vivo 형광 이미징 B) 각 형광 신호의 정량 데이터.
(Chem. Commun. 2018)
2. 표적 세포소기관 선택적 형광 바이오 프로브의 개발
우리는 이러한 단백질 뿐만 아니라 세포내에 존재하는 세포 소기관을 선택적으로 염색 할 수 있는 형광 바이오 프로브들 또한 개발 중에 있습니다. 최근에 보고한 미토콘드리아 관련 형광 바이오 프로브가 이에 해당합니다. 미토콘드리아는 세포 속 작은 발전소로, ATP 합성을 담당하고 있습니다. 이러한 미토콘드리아는 에너지 생산 뿐만 아니라 세포의 여러 가지 신호 전달에 영향을 주고 있습니다. 특히 최근 미토콘드리아의 모양이 세포의 상태를 나타내 줄 수 있다는 것이 보고되면서 이를 볼 수 있는 형광 바이오 프로브들에 대한 필요가 매우 높아지고 있습니다. 우리 실험실에서는 최근 개발된 SiR 물질의 화학구조에 대한 이해를 바탕으로 여러 가지 유도체를 조합 화학적인 방법을 통해 합성한 뒤 미토콘드리아에 대한 선택성이 매우 높은 형광 바이오 프로브를 개발할 수 있었습니다. 이러한 프로브의 개발은 미토콘드리아의 이해 뿐만 아니라 추후 미토콘드리아 선택적 약물 전달에도 활용 될 수 있을 것이라 기대하고 있습니다
Silicon rhodamine 형광 골격체의 소수성 조절을 통한 신규 근적외선 미토콘드리아 형광 바이오 프로브의 개발 연구
(Bioconjugate Chem. 2019)
3. 생물직교 반응을 기반으로 한 형광 증폭 기술 개발
생명현상 연구에 있어 생물 직교 화학반응은 복잡한 환경에 있는 다양한 생체물질을 연결하고 표지하는데 사용될 수 있습니다. 따라서 생물직교 반응은, 최근의 생명현상 연구에 있어 가장 많은 관심을 받고 있는 화학 생물학적 기술 중 하나라고 해도 과언이 아닙니다. 이중에서도 테트라진을 활용한 생물직교 반응은 현존하는 생물직교 반응중 가장 빠른 반응으로 알려져 있어 이를 활용한 연구가 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 특히 테트라진과 결합된 형광 프로브는 빠른 반응성과 높은 형광 증폭 효율을 가지고 있어 바이오 이미징에 있어 매우 큰 장점을 지니고 있습니다. 저희 연구실에서는 서울대 박승범 교수님 연구실과의 공동 연구를 통해 기존의 테트라진 기반 생물직교 형광 프로브의 단점을 극복하여 전 파장 영역에서 1000배 정도의 높은 효율로 형광신호가 증폭되는 새로운 생물직교 프로브를 개발할 수 있었습니다. 이번에 발견한 형광분자의 디자인 기술은 여러 가지 다른 형광중심골격에 적용 가능하므로, 추후 다양한 응용기술 연구로 이어 질것이라 기대하고 있습니다.
새로운 분자 디자인을 통한 전 가시광선 영역에 걸친 고효율 형광 신호 증가 생물직교프로브들의 발굴
(J. Am. Chem. Soc. 2018)
저희 실험실은 매주 월요일 오전 연구결과 발표를 진행하고 토요일 오전에 자신의 프로젝트에 대한 정리 발표 및 최근 저널 미팅을 진행하고 있습니다. 이러한 미팅들을 통해 연구원들 간의 연구 내용을 공유하고, 발표능력을 함양시키며 자신의 연구주제 관련 최신 연구동향을 파악하고 있습니다. 뿐만 아니라 국내외의 학술발표 참여를 통해 실험실의 연구결과들을 여러 연구자 분들과 공유하고 토론하고 있습니다. 실험실 규모가 크지 않아 구성원들끼리 돈독하게 지내며 각자의 학업/커리어를 위해 불철주야 노력하고 있습니다. 또한 열정적인 학부생들의 많은 관심 덕분에 방학 중에 많은 수의 학부생 연구원들의 실험 참여가 이루어지고 있고, 대학원생들은 따뜻한 멘토링을 통해 이를 도와주고 있습니다.
저희 실험실은 아주대학교 팔달관에 4층에 위치하고 있습니다 (캠퍼스 맵 참조). 유기화학, 생화학 및 화학생물학에 관심이 있는 대학원생 및 연구참여 학생은 언제나 환영합니다. 의약화학, 분자생물학 및 세포생물학 분야 경험이 있는 박사후 연구원 분들도 많은 관심 부탁드리겠습니다. 저희 실험실에 관심있으신 대학원생/박사 후 연구원 분들은 하단의 연락처를 참고 해주시기 바라겠습니다.
■ TEL : 031-219-2459
■ E-Mail : ehkim01@ajou.ac.kr (김은하 교수님)
■ 연구실 홈페이지 : eunhakim.wix.com/ajou