- 단일 세포 수준의 기능과 원자 구조 연계 분석방법 개발-
40네비게이션
[연구필요성]
신경세포의 구조와 기능은 밀접한 관련이 있다. 기존 연구 방법에서는 세포 본연의 상태를 보존하면서 두 가지를 같이 측정하는 방법이 없어, 구조와 기능을 각각 연구하여 내용을 합치는 방식으로 신경세포를 이해하였다. 사람도 개개인이 다르듯 신경세포도 제각각 다른 구조와 기능을 보이기 때문에, 보존적 방법을 통해 한 세포에서 두 가지를 동시에 측정하는 방법이 필요하다.
[연구성과/기대효과]
본 연구진은 전압 이미징을 통해 살아있는 세포 상태에서 신경세포의 전기생리학적 상태를 측정하고, 이를 급속 동결하여 본연의 상태를 유지한 채 초저온 단층 촬영을 하여 구조를 분석하는 방법을 개발하였다. 위 방법을 통해 동일 신경세포에서 전기생리학적 특성과 고해상도 구조를 분석하는 것이 가능하게 만들었다. 이번 연구를 통해, 신경세포의 기능과 고해상도 구조를 직접 연결하는 새로운 방법론적 접근을 제시하였고, 이는 뇌의 여러 기능을 더 자세하게 이해하는데 단초를 제공하는 핵심 기술이 될 것이다.
[연구결과]
Correlative voltage imaging and cryo-electron tomography bridge neuronal activity and molecular structure
Mingyu Jung, Gwanho Ko, Dongsung Lim, Seonghoon Kim, Sojeong Kim, Young-Joon Kim, Myunghwan Choi & Soung-Hun Roh
(Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-025-64431-w)
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[연구필요성]
미토콘드리아는 우리 몸의 에너지 생성공장이다. 그런 미토콘드리아 내 단백질의 품질관리는 생체 내 에너지 생산과 직결되어, 이에 문제가 생겼을 시 세포들은 신호를 전달하여 품질관리 전담 단백질인 샤페론을 발현시킨다. 하지만 생체 내에서 샤페론들이 어떻게 품질관리를 하는지에 대한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았고, 이를 개별 샤페론 레벨에서의 분석을 통해 아는 것은 미토콘드리아 내 단백질 품질관리를 이해하는데 필수적이다.
[연구성과/기대효과]
이번 연구에서는 초저온 단층촬영이라는 고해상도 이미징 기술을 활용하여 미토콘드리아 단백질 품질관리 문제 시, mtHsp60-Hsp10 샤페론 복합체들이 그들의 형태와 공간적 분포를 변화시키면서 능동적인 품질관리를 함을 밝혔다. 이 연구를 통해 미토콘드리아의 단백질 품질관리 메커니즘을 총체적으로 이해할 수 있게 되었고 이는 미토콘드리아 타겟 신약개발의 단초를 제공할 것이다.
[연구결과]
In situ characterization of mitochondrial Hsp60-Hsp10 chaperone complex under folding stress
Mingyu Jung, Minjung Kim , Su Jin Ham, Jongkyeong Chung, and Soung-Hun Roh
(Science Advances, https://doi.org/10.1126/sciadv.adw6064)
4한국학 통일학지원
서울토토사이트 통장 묶는법교 생명과학부 노성훈 교수 연구팀이 세포 속 단백질들이 실제로 어떤 구조를 이루며 기능하는지를 초고해상도로 관찰할 수 있는 새로운 연구 방법을 개발했다. 이번 성과는 뇌 신경세포와 미토콘드리아의 작동 원리를 분자 수준에서 규명한 것으로, 각각 국제학술지 Nature Communications(2025)과 Science Advances(2025)에 연이어 게재되었다.
우리 몸을 구성하는 세포는 작은 공간 안에서 수많은 단백질이 협력하며 생명 활동을 유지한다. 마치 복잡한 도시에서 도로, 공장, 발전소가 서로 연결되어 움직이듯, 세포 안에서도 단백질들이 제자리를 지키며 끊임없이 구조를 바꾸고 소통한다. 하지만 지금까지는 세포 속에서 일어나는 일을 손상 없이 그대로 관찰하는 것이 어려웠다. 일반 현미경은 세포의 형태를 볼 수 있지만 확대가 제한적이고, 전자현미경은 분자 하나하나를 볼 수 있을 만큼 강력하지만 세포를 화학 처리하거나 건조시켜야 했다. 이런 이유로 생명과학자들은 오랫동안 세포의 ‘진짜 모습’을 직접 보는 데 한계를 느껴왔다.
토토사이트 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 초저온 전자단층촬영 (cryo-electron tomography, cryo-ET) 기술을 새롭게 발전시켰다. 이 기술은 세포를 영하 180도 이하의 극저온 상태로 아주 빠르게 얼려 세포의 구조를 손상 없이 그대로 보존한 뒤, 전자빔을 이용해 수백 장의 이미지를 다양한 각도에서 촬영하고 이를 3차원으로 재구성하는 방식이다. 이렇게 얻은 이미지는 세포 속 분자들이 생체 본연의 상태에 가장 가까운 형태로 존재할 때의 구조를 보여주기 때문에, 단백질 복합체의 실제 배치와 상호작용을 정밀하게 관찰할 수 있다.
이번 연구의 첫 번째 성과는 신경세포의 기능과 구조를 동시에 분석할 수 있는 새로운 기술, CoVET(Correlative Voltage Imaging and cryo-ET)의 개발이다. 신경세포는 전기신호를 주고받으며 뇌의 모든 기능을 담당하지만, 지금까지는 그 전기적 활동과 세포 내부 구조를 같은 세포에서 함께 측정할 수 없었다. 연구진은 먼저 전압 이미징을 통해 신경세포의 전기적 반응을 기록한 뒤, 그 상태를 그대로 급속 동결하여 초저온 전자단층촬영으로 구조를 분석했다. 이를 통해 한 세포 안에서 전기신호의 세기와 세포 구조의 세밀한 차이를 직접 비교할 수 있게 되었다.
그 결과, 전기신호가 활발하게 전달되는 신경세포일수록 단백질을 합성하는 공장 역할을 하는 리보솜(ribosome)이 더 촘촘하게 분포하며 활발하게 작동하는 것이 확인되었다. 이는 세포가 단순히 신호를 주고받는 전달체가 아니라, 분자 수준에서 스스로 구조를 조절하며 기능을 변화시키는 복잡한 존재임을 보여준다. 이번 연구를 주도한 정민규 연구원(토토사이트 생명과학부 박사과정)은 “전기적 특성이 서로 다른 신경세포들이 실제로 분자 구조 수준에서 어떻게 구별되는지를 직접 관찰할 수 있게 된 점이 가장 큰 성과”라며, “향후 뇌의 기억과 학습 과정에 수반되는 구조적 변화를 규명하는 연구로 확장할 계획”이라고 말했다.
두 번째 연구에서는 세포 속 에너지 공장인 미토콘드리아에 주목했다. 미토콘드리아는 세포가 에너지를 생산하는 중심 기관으로, 내부 단백질의 품질이 떨어지면 기능이 급격히 저하된다. 스트레스가 쌓이거나 손상된 단백질이 많아지면 미토콘드리아는 스스로 품질관리를 시작하는데, 핵심 역할을 하는 단백질이 샤페론(chaperone)이다. 샤페론은 변형된 단백질을 다시 접히게 하거나 잘못된 단백질을 제거해 세포의 건강을 유지한다.
연구진은 cryo-ET를 이용해 미토콘드리아 안에서 작동하는 샤페론 복합체 mtHsp60–Hsp10의 세포내 실제 구조 변화를 처음으로 시각화했다. 단백질 접힘 스트레스가 커질 때 샤페론 복합체는 스스로 형태를 바꾸며 응집된 단백질을 감싸고 다시 접히게 하는 것으로 나타났다. 스트레스가 심할수록 이러한 샤페론들이 서로 가까이 모여 협력적으로 작동하는 모습도 관찰되었다. 이번 결과는 미토콘드리아가 손상된 단백질을 인식하고 복구하며, 필요할 경우 손상된 영역을 제거하는 정교한 품질관리 시스템을 가지고 있음을 직접 보여준 것이다.
이 두 연구는 서울토토사이트 통장 묶는법교 세포거대분자이미징 핵심연구지원센터와 시스템스 노화기전 연구센터의 최신 연구 인프라를 기반으로 수행되었다. 연구팀은 세포 시료를 생체 상태 그대로 빠르게 동결시켜, 단백질 복합체와 세포 소기관의 구조를 원자 수준으로 복원하는 데 성공했다. 센터는 시료 제작, 영상 촬영, 3차원 재구성까지 전 과정을 한곳에서 수행할 수 있는 통합 연구 인프라를 갖추고 있다.
이번 성과는 단일 단백질의 구조를 밝히는 기존 구조생물학의 한계를 넘어, 세포 전체를 하나의 분자 네트워크로 통합적으로 이해하려는 세계적 연구 흐름, 즉 ‘세포 구조생물학(Cellular Structural Biology)’의 방향과 맞닿아 있다. 국내에 오랜 기간 축적한 cryo-EM과 cryo-ET 기술 역량을 바탕으로, 이러한 세계적 연구 트렌드 속에서 한국이 경쟁할 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 더욱 의미가 있다.
또한 이번 성과를 통해 초저온 전자현미경으로 얻은 방대한 3차원 데이터를 인공지능(AI) 분석 기법과 연계하였을 때 더욱 큰 시너지를 기대할수 있다. 이는 향후 복잡한 생명현상과 세포 내 분자 네트워크를 정량적으로 해석하고, 그 과정을 이해하는 데 필요한 근원적 데이터를 생산할 수 있는 토대를 확보했다는 점에서도 큰 의미를 가지며, 향후 구조생물학, 신경과학, 노화 연구 등 다양한 생명과학 분야로 확장되어, AI 기반의 예측형 생명연구를 선도하는 핵심 기술로 발전할 것으로 기대된다.
[그림설명]
전압 이미징을 통해 살아있는 상태의 전기적 특징을 확인한 후 이를 급속 동결하고 초저온 단층촬영을 통해 자연 상태 그대로의 3차원 구조를 분석한다. 이에 따라 한 신경세포에서 가장 중요한 내재적 특징인 전기적 기능과 세포의 구조를 동일한 세포에서 분석을 할 수 있게 된다.
단백질 품질관리에 대한 스트레스가 발생하면, 품질관리 실패에 따라 불량 단백질들이 대거 축적되고 심한 경우 미토콘드리아 내 단백질 응집체가 형성된다. 미토콘드리아 내 불량단백질의 축적을 세포는 인식하고, 이를 해결하기 위해 샤페론들의 발현을 증가시켜 이를 해결하고자 한다. 이 과정에서 양이 증가된 미토콘드리아 샤페론은 그들의 공간적 재배치 및 형태적 변형을 통해 능동적으로 단백질의 품질관리에 기여한다. 스트레스가 과도하게 축적되어, 샤페론 만으로는 해결에 역부족일 경우, 세포는 자가포식을 통해 해당 미토콘드리아를 없애, 총체적인 미토콘드리아의 품질관리를 한다.