생명과학과 이상호 교수 연구팀, 식물 세포의 창고인 ‘액포’ 조절을 통한 지구온난화 대처 방안 제시

생명과학과 이상호 교수 연구팀, 식물 세포의 창고인 ‘액포’ 조절을 통한 지구온난화 대처 방안 제시 - 식물 액포 ALMT9 채널의 지질 결합 구조 및 활성화 과정 규명 - 기후 적응력과 과일 품질 향상 등 다양한 응용 연구에 활용 기대 ▲(왼쪽부터) 생명과학과 이상호 교수, 이영목 박사, 정서연 대학원생 식물 세포의 액포는 다양한 물질을 보관하고 분배하는 창고와 같은 역할을 하는 세포소기관이다. ALMT9 음이온 채널은 여러 음이온이 드나드는 출입문 역할을 하여 액포 내 음이온의 저장을 돕는 것으로 알려져 있다. 이러한 기능을 통해 ALMT9은 기공 조절*, 과일의 맛과 향 등 식물의 주요 생리적 현상 조절에 중요한 역할을 담당한다. 기공 조절은 식물의 가뭄 저항성을 증진시켜서 온난화에 대처할 수 있게 해 준다. * 기공 조절: 기공은 주로 식물의 잎 뒷면에 존재하는 작은 구멍으로, 광합성에 필요한 이산화탄소가 들어오고 광합성에 의해 만들어진 산소와 뿌리에서 올라온 물이 나가게 한다. 기공 조절을 통해 지구온난화에 대처할 수 있다. 생명과학과 이상호 교수 연구진(제1저자 이영목 박사, 공동저자 정서연 대학원생)은 식물 세포 속 작은 창고인 ‘액포’가 지질에 의해 어떻게 조절되는지 새로운 단서를 발견하였다. 연구진은 단백질의 구조를 볼 수 있는 초저온 전자현미경법(cryo-EM)을 통해 식물 액포에서 작용하는 ALMT9 음이온 채널의 구조와 작동 방식을 밝혔다. 해당 연구는 프랑스 몽펠리에대학교의 Alexis De Angeli 교수 연구진과 성균관대학교 물리학과 유제중 교수 연구진, 한국기초과학지원연구원의 황금숙 박사 연구진과의 공동 연구를 통해 이루어졌다. ▲ 다양한 지질이 결합된 형태로 규명된 ALMT9 음이온 채널 구조 연구진은 지질이 ALMT9 음이온 채널의 기능 조절에 중요하다는 사실을 발견하였다. 이번 연구로 지질과 액포 조절 사이의 새로운 연결고리가 밝혀졌으며, 이를 바탕으로 다양한 후속 연구로의 발전이 기대된다. 궁극적으로 지질의 역할에 대한 재해석을 통해서 기후온난화에 대응할 수 있는 새로운 전략을 발굴하고 과일 품질 향상 등의 산업적 응용을 위한 중요한 토대를 마련한 것으로 평가된다. 이상호 교수는 “이번 연구를 통해 미스터리였던 지질의 기능을 규명하게 되었다”며 “이를 토대로 지질의 역할에 대한 이해가 깊어지고 이를 토대로 지구온난화 대응 및 농업 생산성 증진에 기여할 것”이라고 밝혔다. 또한 “최근 교내에 도입된 최첨단 기기인 cryo-EM을 이용한 연구 사례를 보여주어 앞으로 해당 장비를 이용한 우수한 연구 성과 도출에 대한 기대감을 높여 주고 있다”고 밝혔다. 연구 성과는 중견연구지원사업 및 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 도출되었으며 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 14.7)’에 2월 20일 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Structural basis for malate-driven, pore lipid-regulated activation of the Arabidopsis vacuolar anion channel ALMT9 ※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56940-5 ※ 저자: 이영목 박사 (제1저자), 유재민, 정서연, 유제중 교수(성균관대 물리학과), 이상호 교수 (교신저자, 성균관대학교 생명과학과)

화학과 이원화 교수 공동연구팀, 중증 ARDS 초기 대응 폐 표적 나노리포좀 개발

화학과 이원화 교수 공동연구팀, 중증 ARDS 초기 대응 폐 표적 나노리포좀 개발 - 호중구 세포외 덫(NETs) 억제 및 항염증 효과로 중증 진행 예방 가능 우리 대학 화학과 이원화 교수 연구팀은 융합생명공학과 박우람 교수 연구팀, 영남대학교 병원 홍경수 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 급성 호흡곤란 증후군(ARDS)에 효과적인 새로운 폐 표적 나노리포좀 기반 치료법을 개발했다고 발표했다. 연구팀은 양이온성 지질(DDAB)을 이용한 폐 표적 나노리포좀 구조에 호중구 엘라스타제(NE) 억제제(sivelestat)와 호중구 세포외 덫 (NETs)을 분해하는 효소(DNase-1)을 도입하여 신규 폐 표적 나노리포좀을 개발했다. * ARDS: Acute respiratory distress syndrome, DDAB: Didodecyldimethylammonium bromide, NE: Neutrophil elastase, NET: Neutrophil extracellular trap 고위험 환자의 경우 코로나바이러스와 같은 중증 호흡기 질환에 감염되었을 때 ARDS로 진행될 가능성이 높으며, 이는 불량한 예후와 높은 사망률로 이어진다. 이원화 교수 연구팀은 중증 ARDS 초기 단계에서 발생하는 호중구의 과도한 면역 반응을 조절하기 위해, 호중구 세포외 덫 (NETs) 생성 및 분비된 NET과 그로 인한 염증 반응을 억제할 수 있는 나노리포좀을 개발했다. 연구팀은 급성 폐손상 동물 모델에서 나노리포좀이 폐 조직에 선택적으로 축적되며 투여 후 24시간까지 유지되는 것을 확인했다. 나노리포좀을 구성하는 약물의 단독 투여 대비 NETosis 지표 및 염증성 사이토카인 감소에 더욱 유의미한 효과를 보였으며, 전체적인 사망률을 감소시키는 결과를 확인했다. 또한 호흡기 기능 평가를 통해 나노리포좀 투여가 급성 폐손상에 의한 호흡 부전과 폐 섬유화의 진행을 완화시키는 효과를 확인했다. 아울러 연구팀은 나노리포좀이 중증 코로나19 환자의 혈액 검체에서 NETosis 지표 및 염증성 사이토카인을 감소시키는 효과를 확인하여, 이 치료법의 임상 적용 가능성을 입증했다, 이는 기존의 스테로이드 기반 항염증제 및 기관지 확장제 등의 대증 치료에 의존하던 ARDS 치료에 새로운 접근법으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 이원화 교수는 “난치성 호흡기 질환은 현재 악화를 억제하는 약물만 FDA 승인 받았고, 원천적인 치료가 어려운 상황에 중증 환자의 경우 치료제가 없는 실정이기 때문에 새로운 치료제 개발이 시급하다. 이번 연구를 통해 효과적인 복합치료 효과를 검증했고, 향후 임상적 효과와 기전을 규명할 것이다”라고 설명했다.

권대혁 교수 공동연구팀, 지질나노입자 표적 전달 기술 개발

권대혁 교수 공동연구팀, 지질나노입자 표적 전달 기술 개발 - 빠르고 간편한 항체 부착 기술로 mRNA의 표적 전달 연구 돌파구 - 유전자 및 세포 치료제 연구 및 신약 개발 가능성 확대 ▲(왼쪽부터) 권대혁 교수, 박원범 박사, 한국과학기술연구원 양유수 박사, 최지웅 박사 융합생명공학과 권대혁 교수 연구팀이 한국과학기술연구원 양유수 박사, 바이오 기업 엠브릭스㈜와 공동으로 mRNA를 특정 세포에 효과적으로 전달할 수 있는 혁신적인 기술을 개발했다. 이번 연구는 차세대 유전자 치료와 항암 치료의 발전을 앞당길 핵심 기술로 주목받고 있다. mRNA를 세포에 전달하는 지질나노입자(LNP) 기술은 코로나19 백신으로 큰 성공을 거두었지만, 특정 세포에 정확히 전달하는 데 한계가 있었다. 이로 인해 활용 범위가 제한되며, 예상치 못한 부작용이 발생할 우려가 있었다. ▲[그림1] 지질나노입자에 빠르게 부착할 수 있는 그랩 항체 기술 이를 해결하기 위해 연구팀은 지질나노입자에 항체를 쉽고 빠르게 부착해 원하는 표적 세포로 정확히 전달할 수 있는 ‘그랩 항체 기술’을 개발했다.(그림 1) 이 기술을 활용하면 기존보다 암 표적률이 8배 이상 증가하고, p53 유전자 기반 항암 치료 효과도 크게 향상된다. 또한, mRNA를 보다 효율적으로 표적 세포에 전달할 수 있어 정밀 의약 개발에 새로운 가능성을 열었다. 권대혁 교수는 “전달할 mRNA와 항체만 결정하면 나머지 과정은 표준화된 절차를 따르면 되도록 설계했으며, 이를 통해 그랩 항체 기술이 신약 개발의 혁신을 앞당길 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 ACS Nano에 2월 5일 게재되었다. 본 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었다. ※ 논문명: Apolipoprotein Fusion Enables Spontaneous Functionalization of mRNA Lipid Nanoparticles with Antibody for Targeted Cancer Therapy ※ 학술지: ACS Nano (IF: 15.8, JCR: 6.0%) ※ 논문 링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c16562

박진성 교수 연구팀, 세계 최초 진동 시스템 기반 휴대용 중금속 검출 센서 개발

바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀, 세계 최초 진동 시스템 기반 휴대용 중금속 검출 센서 개발 - 현장 환경에서 신속하고 민감하게 독성 중금속 검출 가능성 열어 ▲ (왼쪽부터) 미국 테라사키 연구소 김민우 박사(제1저자), 성균관대 바이오메카트로닉스학과 김치현 학생(제1저자), 박주형 박사(교신저자), 박진성 교수(교신저자), 메타바이오헬스학과 조원준 학생(공동저자) 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 진동 장치를 탑재한 휴대용 전기화학 중금속 검출 시스템을 개발해 극소량의 납(Pb2+)과 카드뮴(Cd2+)을 높은 민감도로 검출하는 데 성공했다. 이번 연구는 환경 독성 물질을 신속하게 현장에서 검출할 수 있는 시스템을 제시한 것으로 논문은 센서 분야 최우수 저널 중 하나인 Sensors and Actuators B-Chemical에 지난 10월 24일 게재되었다. 박진성 교수 연구팀은 차별화된 기술로 기존 탄소 전극 위에 그라파이트-비스무스 나노 판을 배치하고 양성자 전도체 나피온(Nafion) 막을 코팅한 후 진동 장치를 추가해 중금속 이온의 검출 신호를 크게 향상시켰다. 진동을 통해 중금속 이온의 확산이 촉진되어 더욱 많은 이온이 전극 표면에 붙게 되며 그 결과 납 이온은 최대 540%, 카드뮴 이온은 511% 검출 효율이 향상하였다. ▲ [연구그림1] 수계 내 납과 카드뮴 검출을 위해 제작된 진동 장치 장착 휴대용 전기화학 시스템의 개략도 이번 연구에서 사용된 차등펄스 양극벗김전압법(DP-ASV)은 중금속이 붙고 떨어지는 과정에서 발생하는 전류와 전위 곡선을 분석하여 금속 종류와 농도를 구별한다. 이를 통해 실험실 환경에서는 납 이온 0.98nM, 카드뮴 이온 1.65nM, 식수에서는 납 4.49nM 및 카드뮴 14.89nM, 토양에서는 각각 0.94nM 및 7.10nM 농도까지 중금속 이온을 동시 검출하는 데 성공했다. 연구팀은 현장 테스트를 위해 금속 제련소를 기점으로 낙동강 상류와 하류에서 물을 채취하여 센서를 이용한 검출 실험을 진행했다. 실험 결과 카드뮴 이온은 검출되지 않았으며, 납 이온은 상류에서 1.66nM, 하류에서는 18.88nM가 검출되었다. 이는 현장에서 사용되는 중금속 분석 장비 ICP-MS가 보여주는 것과 유사한 결과로 본 시스템이 현장 감지 센서로 활용될 수 있는 가능성을 보여준다. ▲ [연구그림2] 낙동강 상류와 하류에서 물을 채취하여 측정한 결과 및 ICP-MS 데이터와의 비교 그래프 박진성 교수는 “기존 연구에서 개발한 센서는 실제 현장에서 여러 이물질로 인해 정확한 측정이 어려웠지만, 이번에 개발한 센서는 실제 환경에서도 중금속을 신속하고 민감하게 검출할 수 있어 새로운 시스템의 기초 기술이 될 가능성이 크다”며 “향후 환경 모니터링과 공공 보건 분야에 적용되기를 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 창의·도전연구기반지원사업, Post-Doc. 성장형 공동연구사업과 SMC-SKKU 미래융합연구사업의 지원을 받아 수행되었다.