미토콘드리아 단백질 '비밀의 문' 열었다

한국인 과학자가 참여한 미국 연구팀이 살아있는 세포의 미토콘드리아 단백질체를 쉽게 분석하는 생명공학기술을 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 이 기술로 세포 소기관인 미토콘드리아 기질(基質)에 모두 495가지의 단백질이 존재함을 처음으로 밝혀냈다.

미국 MIT 화학과 앨리스 팅 교수가 주도한 이 연구에는 31세의 UNIST(울산과기대 나노생명화학공학부) 이현우 교수가 참여했다.

연구팀은 독창적으로 개발한 초미세공간 단백질체 맵핑 기술을 이용해 살아있는 세포의 미토콘드리아 기질 단백질체를 확인한 연구 결과를 '사이언스 익스프레스'에 1월 31일 자로 발표했다.

'사이언스 익스프레스;는 과학 학술지인 '사이언스'에 실리기 전의 중요 논문을 선정해 미리 소개하는 온라인 논문 속보다.

생체 에너지를 만드는 미토콘드리아의 구조와 기능에 이상이 발생하면 비만, 심혈관질환, 지방간 그리고 심장질환 등을 가져와 당뇨병, 대사질환, 암, 노화, 퇴행성 신경질환(파킨슨병, 노인성 치매) 등 난치성 질병이 나타난다.

이런 질병을 진단하기 위해 우리나라를 비롯해 세계 각국에서 미토콘드리아의 비밀을 밝히는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

미토콘드리아 기질에서는 생명현상 유지에 필요한 아미노산의 합성이 이루어지고 생명에너지의 주 원료인 ATP(아데노신삼인산)가 생성된다.

그러나 미토콘드리아의 기질만을 분리해내는 기술이 없어 아직 얼마나 다양한 단백질이 그곳에 존재하는지 알려지지 않았다.

종전의 미토콘드리아 등 세포 소기관 연구 방법에는 수백ｇ에서 수㎏의 샘플이 필요하다. 이 때문에 돼지, 소, 쥐 등의 장기에서 추출한 죽은 세포를 토대로 연구를 진행하고 그 과정 또한 복잡하다.

게다가 밝혀진 세포 소기관 단백질체조차 세포 소기관 분리의 어려움으로 연구결과의 신빙성 문제가 끊임없이 제기됐다.

사람의 세포 소기관 연구는 장기 사용에 따른 윤리적 문제로 연구가 어려운 상황이다.

또 미토콘드리아와 관련된 질병의 분석은 현재까지 유전체(게놈) 분석에 치우쳐 있으며 단백질체 분석에 기반을 둔 연구는 활발히 이루어지지 못했다.

하지만 연구팀은 살아있는 사람의 배양세포에서 특정 시간 내에 페놀라디칼(phenol radical: 페놀에서 전자가 떨어진 물질)을 발생시킬 수 있는 퍼옥시데이스(peroxidase: 페놀라디칼을 생성하는 효소)를 이용, 사람의 미토콘드리아 기질 단백질체를 처음 밝혀냈다.

이 연구로 세포 내 소기관 중 핵심인 미토콘드리아에 지금까지 알려지지 않은 270여개의 미토콘드리아 기질 단백질을 새롭게 규명했다.

연구팀은 특히 기존 생물학자들이 미토콘드리아 기질 내부에 존재할 것으로 생각하지 못한 PPOX(Protoporphyrinogen oxidase)라는 효소를 발견했다.

PPOX는 헤모글로빈의 산소 결합 역할을 담당하는 유기물질인 헴(heme)을 생성한다.

이 효소는 미토콘드리아 이중막 사이의 공간에 있는 것으로 알려졌으나 이 연구로 미토콘드리아 기질에 존재함이 확인됐다.

이 연구는 기존 수백ｇ 이상의 동물 세포 샘플이 필요하던 방법에서 벗어나 단 8㎎의 사람 배양세포의 세포질을 이용하여 이룩한 결과여서 의미가 있다.

서울대와 서울대 대학원을 거쳐 MIT에서 박사 후 과정을 마친 이현우 교수는 "이 논문에서 밝혀진 270여개의 새로운 미토콘드리아 기질 단백질이 미토콘드리아 생물학의 깊이를 더할 것으로 믿는다"고 말했다.

그는 "이 연구에서 이용한 초미세공간 단백질체 맵핑 기술은 미토콘드리아뿐만 아니라 다른 세포 소기관의 단백질체 분석에 활용할 수 있다"며 "이를 활용한 질병 진단의 가능성을 연 것이 가장 큰 성과"라고 설명했다.
연합뉴스