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Single Molecule Biology and Cellular Dynamics Laboratory

Work

Research

연구 개요

현재 많은 기술적인 발전으로 각각의 분자들이 세포내에서 어떤 일을 하고, 다른 분자들과 어떻게 상호 작용을 하는지를 관찰함으로써 연구할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술은 각각 분자들의 기본기능을 이해할 수 있게 됨으로써, 현재 생명과학 연구에 혁명적인 발전을 이끌고 있습니다. 본 연구실에서는 최신 형광 Imaging 기술들을 이용하여 (형광 전반사 현미경, Super-resolution 현미경, Confocal 현미경, AFM전자 현미경등), DNA 또는 RNA와 단백질들의 기능 및 세포내의 상호 작용의 영향을 in vitro와 in vivo cell imaging 기법으로 연구합니다. 특히 살아있는 세포내에서 multi-color 형광 Marker들을 붙힌 분자들을 도입하여 관찰함으로써 다양한 세포 내 현상을 연구합니다. 생명체의 가장 기본은 세포입니다. 이곳에서 모든 생물학적 현상들이 발생합니다. 다채로운 형광은 어둡고 분자들로 자욱한 세포내에서 원하는 분자만을 선택적으로 볼 수 있게 해주기 때문에 비로소 “cellular universe (세포우주)” 속에서 분자 움직임을 연구할 수 있게 해 줍니다. 생명체에서 일어나는 생물학적 화학반응(reaction)은 공간적으로 수십 나노미터(nm) 범위 내에서 일어나며, 특히 생물학적 반응을 촉진시키는 효소(enzyme)와 단백질들의 상호작용은 수 나노미터(nm) 이내에서 일어나기 때문에 관찰하기는쉽지 않습니다. 하지만 이제까지 보지 못했던 분자들의 움직임을 최근 비약적인 형광관측기술의 발전을 통해 자세히 관찰할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 분자들의 dynamics을 관찰하여 작동원리를 이해하여 세포가 어떻게 성장하고 살아가는지를 가장 확실히 보여줌으로서 (“Seeing is Believing”) 생명원리를 이해하고 이 과정이 잘못되었을 때 발생하는 질병의 원인 및 치료제 개발에 기여하고자 합니다.

모든 생명체의 기본구성요소인 유전자 (DNA)는 생명을 유지하기 위한 모든 정보를 포함하고 있습니다. 기본과정(central dogma of biology)인 DNA replication, RNA transcription & degradation, Protein translation 과정동안 문제가 발생할 수 있습니다. 건강한 생명유지를 위하여 세포내에서 많은 분자들이 적절한 시간과 장소에서 발현되어야 하며, 서로 유기적인 상호작용을 해야 합니다. 그러나 이러한 과정 중에 “조절되지 않은” 세포의 성장과 유전자의 돌연변이 (mutation)로 인하여 암과 같은 질병이 유발됩니다. 또한 잠재적인 암을 유발하는 바이러스인 retrovirus가 발견됨으로써 핵심원리(central dogma of biology)에 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 우리 연구실은 암과 같은 질병이 발생하는 근본원리를 이해하기 위해 Genomic Maintenance 연구를 하고 있습니다.
이러하듯 “조절되지 않는 성장”을 계속하는 상태가 질병을 유발시키는 원인입니다. 현재까지 이러한 세포의 조절되지 않은 성장은 정상적인 세포의 유전자(DNA)나 암 억제 유전자가 여러 가지 원인 (환경적인 요소, 화학적인 원인, 바이러스 감염)으로 인하여 돌연변이가 생겨서 나타나는 것으로 이해되고 있습니다.

본 연구실에서는 이러한 생명현상을 이해하기 위하여 유전자발현의 기본 과정들을 분자단위 (single molecule level)와 세포단위 (cell level)로 나뉘어 연구한 후, 각각 분자들의 역할이 system level의 세포 기능 및 거동을 어떻게 결정하는가를 공동 연구하는 것이 궁극적인 목적입니다. 현재 drug target이 되는 많은 효소들은 DNA replication, RNA transcription & degradation, Protein translation에 관여하는 효소들입니다. 위 기술들을 통하여 각각의 효소들을 연구함으로써 생물학적 기본 기능을 이해하고, 더 나아가 질병치료제와 의학 발전에도 기여할 수 있습니다.

Single-Molecule Biology:핵산–단백질 상호작용

우리 연구실에서는 단일분자 형광 이미징(imaging) 기술을 이용하여 복잡한 생물학적 시스템을 연구하고 있습니다. 이는 핵산과 단백질 그리고 효소들이 어떻게 상호작용하여 유전자를 조절하는지 연구하는 것입니다. 핵심 유전자 발현 과정인 DNA replication, transcription, messenger RNA editing, and protein synthesis등은 DNA-protein 또는 RNA-protein complexes들에 의해 조절됩니다. 따라서 본 핵산과 단백질 연구는 유전자 발현과 조절원리 및 그 비밀을 밝히기 위해 매우 중요한 연구입니다. 단일분자 형광기술을 이용하여 실시간으로 생물학적으로 의미 있는 분자 복합체가 어떻게 형성되고 어떻게 기능하는지 영상화함으로서 기전을 연구하고자 합니다. 단일 분자형광기술은 이러한 과정에서 숨겨진 여러 단계와 kinetic pathways을 관찰하게 해줌으로써 단백질 복합체의 구조를 통해 생물학적 기능이 어떻게 이루어지는지를 밝혀줍니다. 특히 정량적 분석을 통해 이러한 생물학적 과정이 조절되고 어떻게 통제되는지 분자적 기작을 이해하게 해줍니다.

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