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융합공학부 김태형 교수 연구팀, 나이브 배아줄기세포 전기화학 탐지·분석 플랫폼 제작

관리자 2022-12-21 조회 977


융합공학부 김태형 교수 연구팀이 세계 최초로 세포 대사(Cellular metabolism) 차이를 활용하는 나이브 배아줄기세포 고감도 탐지·분석 기술을 개발했다. 


만능줄기세포(pluripotent stem cell)는 자가 무한 증식(self-renewal)이 가능하고 만능성(pluripotency)으로 인해 모든 조직의 세포로 분화할 수 있는 세포를 말한다. 설치류와 인간을 포함한 척추동물로부터 만능줄기세포를 분리할 수 있다. 


초기 발달과정에서의 배아줄기세포는 공간적·시간적 요인에 따라 2가지 상태의 고유 특성을 가진다. 착상 전 배반포(blastocyts)의 내세포집단(inner cell mass)으로부터 분리된 배아줄기세포를 나이브(naïve) 상태, 착상 후 배반엽상층(epiblast)으로부터 분리된 것을 프라임드(primed) 상태라 한다. 


나이브 상태와 프라임드 상태일 때 배아줄기세포는 분화능력을 비롯해 다양한 기능적, 분자적 차이를 나타낸다. 나이브 상태는 배반포에 키메라(chimera) 마우스를 발생시키는 과정 초기에 관여하며, X염색제 불활성화, 분화 유전자 제어 상태를 더 유지한다고 알려져 있다. 이는 분과 과정에서 발생하는 후성적 특성을 완전히 제거한 단계로 가정할 수 있다. 기능적인 측면의 관점에서 보면 나이브 상태는 프라임드 상태에 비해 분화 자극에 대해 보다 효율적으로 반응한다. 


이러한 특징들로 인해 최근 연구자들은 나이브 상태와 프라임드 상태의 상호전환연구, 체세포 기반 리프로그래밍 연구, 마커 유전자의 발현 정도를 통한 나이브-프라임드 상태 정밀 구분 등을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 


하지만, 나이브-프라임드 상태가 잘 구분됐는지를 확인하기란 어려운 일이다. PCR이나 면역염색법 등 분자생물학적 기법을 이용해 상태를 구분할 수 있지만, 기법을 활용하기 위해서는 세포를 고정화하거나 용해시키는 과정이 반드시 필요하다. 분석이 끝난 세포를 활용할 수 없다는 한계가 존재한다는 얘기다. 


김태형 교수 연구팀은 이러한 문제를 극복하기 위해 나이브 상태와 프라임드 상태가 갖는 차이를 활용했다. 나이브 상태는 산화적 인산화(oxidative phosphorylation), 프라임드 상태는 해당작용(glycolysis)에 의존적임을 고려해 다양한 application 상황 하에 전기화학적으로 비표지·비파괴 분석과 30초 이내 탐지가 가능한 기술을 개발하는 데 성공했다. 


이번 연구에서 가장 중요한 부분은 나이브 상태와 프라임드 상태를 잘 배양하고, 나이브 상태의 세포를 정밀하게 검출하는 데 있다. 김 교수 연구팀은 세포 대사 내 산화·환원 반응에 기반을 둔 전기화학 탐지 원리의 칩을 제작해 적용했다. 이를 바탕으로 나이브·프라임드 혼재 환경, 상호전환 환경, MEF에서 나이브 상태로의 리프로그래밍 상황 등에 새롭게 개발한 기술이 응용됨을 확인할 수 있었다. 



이번 연구는 과학기술정보통신부가 주관하는 바이오의료기술 개발사업, 범부처재생의료기술 개발사업을 통해 진행된 것이다. 김태형 교수 연구실의 구경모 석박통합과정 학생과 서울대 차혁진 교수 연구실의 고영현 박사가 제1저자를 맡았으며, 김태형 교수와 차혁진 교수가 교신저자로 연구에 참여했다. 우리 대학 융합공학부의 김창대 석사과정생 , 서울대 김성민 학생, 건국대 줄기세포재생공학과 도정태 교수도 공동저자로 이름을 올렸다. 


보다 상세한 연구 내용은 'Label-free and non-destructive identification of naïve and primed embryonic stem cells based on differences in cellular metabolism' 논문을 통해 확인 가능하다. 해당 논문은 바이오메디컬, 엔지니어링 분야 상위 3.5% 학술지로 피인용지수(Impact Factor) 15.304를 기록한 학술지 Biomaterials에 내년 2월 게재될 예정이다. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961222005798에서 논문을 다운로드 받을 수 있다. 



김 교수 연구팀은 “앞으로 다양한 줄기세포의 활성, 분화, 사멸 등을 칩 상에서 빠르고 정확하게 분석할 수 있는 실용화 기술이 개발돼 줄기세포를 통해 다양한 질병을 치료하는 시대가 오길 고대한다”고 했다.