THEME#7. 2016 노벨상에 숨은 연구장비 이야기- 생리의학상
2016-11-10조회수 2,709 3
2016년 노벨상에 숨은 연구장비 이야기 속으로 GO! GO!
[생리의학상] 요시노리 오스미
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수상자 정보
요시노리 오스미 교수는 세포 내 불필요한 단백질이나 손상된 세포 소기관을 분해하는 자가포식(Autophagy)의 분자적 메커니즘을 최초로 발견한 공로로 2016년 노벨 생리의학상 수상자로 선정되었다.
그는 1945년 2월 일본 후쿠오카에서 태어나 1974년 도쿄대학에서 대장균 단백질 해독연구로 박사학위를 취득하고, 1974년 미국 뉴욕 록펠러대학 연구원, 1988년 도쿄대학 교양학부 조교수, 2006년 기초생물학 연구소 교수를 역임했으며, 현재 도쿄 공업대학 프런티어 연구기구 특임교수·영예교수로 재직하고 있다.
그는 일본학사원상(2006), 교토상(2012), 캐나다 가드너 국제상(2015) 등 다수의 상을 수상한 바 있다.
노벨상 연구내용
자가포식이란 세포 내 불필한 물질을 분해하는 과정(그림1)으로 세포의 면역·노화 등 생명현상에서 매우 중요한 메커니즘으로 작용한다.
요시노리 오스미 교수는 광학현미경과 전자현미경을 사용하여 효모의 자가포식 현상을 관찰하고 이러한 과정에 관여하는 유전자를 최초로 발굴하였다.
이후, 식물과 동물세포에서도 관련 유전자를 동정하여 자가포식 현상을 밝혀낸 바 있다.요시노리 오스미 교수의 자가포식 발견 이후 많은 연구자들이 자가포식과 관련된 생명현상을 규명하고자 유사한 분야의 연구를 지속하고 있으며, 최근 자가포식과 암, 당뇨병 등 다양한 질환과의 관계에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
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최초 연구에 사용된 장비
자가포식 현상은 1960년대에 이미 관찰되었으나 그 메커니즘에 대한 연구는 거의 진행 된 바 없었다.
요시노리 오스미는 광학현미경과 전자현미경 사용하여 자가포식의 구조를 관찰하고, 자가포식작용에 관여하는 15개의 유전자를 최초로 동정하여 자가포식작용의 메커니즘을 규명하였다.그는 광학현미경(Olympus BH2 microscopy, Olympus 사, 일본)을 사용하여 돌연변이 효모를 기아상태(nutrient starvation)로 두었을때 미세 소포체(자가포식 소포체: autophagosome로 추청)가 액포 내에 축적되는것을 최초로 관찰하였다(그림2).
Olympus BH2 microscopy는 1980년대 출시된 제품으로 당시 45mm의 긴 초점거리와 편광 형광 정기적 시야 관측 모두에 사용될 수 있는 대물 렌즈(1X？100X, oil)를 탑재하여 세계적인 각광을 받은 바 있다.
그는 그림 2에서 관찰한 구조체를 판별하기 위해 투과전자현미경(Hitachi H-500, Hitachi 사, 일본) 을 사용하여 기아상태에서 세포의 절편을 관찰하였고, 이를 통해 액포내에 이중막 구조의 자가포식 소포체가 축적되어 있는것을 관찰하였다(그림3).
Hitachi H-500은 일본 Hitachi 사의 1975년 모델로 당시로는 높은 해상도를 자랑했으나 당시 빠르게 발전하는 전자현미경 산업경쟁에서 큰 주목을 받지 못하였다.
Hitachi 사의 전자현미경 HM-3(1958) 모델은 1958년(추정: 1956년 기증기록이 있으나 모델 출시년도가 1958년인 것으로 미루어 보아 1958년으로 추정됨)일본으로부터 기증받아 우리나라에 최초로 도입된 전자현미경이라는 점에서 의미가 있으며, 국내에 도입된 가장 많은 기종의 투과전자현미경 또한 Hitachi 사의 H-600 모델이다.
1993년 FEBS Letter에 발표된 그의 논문에서 자가포식작용이 실패하였을때 액포 내로 엔도시토시스가 감소 하는것을 형광현미경(Zeiss Axioplan, Carl Zeiss사, 독일)으로 관찰하였다(그림4).
Zeiss Axioplan 2.5X, 10X, 20X, 40X and 60X 렌즈와 광원 HBO-100이 장착되어있다.후속 모델인 Zeiss Axioplan 2는 지금까지 많은 연구자들이 이용하고 있는 형광현미경이다.
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최근 연구에 사용된 장비
■ 투과전자현미경
요시노리 오스미 교수는 현재 자가포식에 대한 연구를 꾸준히 수행중이며, 성능이 우수한 투과전자현미경(Hitach H-7500, 일본; JEM-1400 plus, JEOL사, 일본)을 사용하여 효모를 비롯한 식물과 동물 세포에서도 자식작용을 관찰하였다(그림5)
Hitach H-7500는 전자를 광원으로 사용함으로써 해상력을 극대화시켜 초미세 구조 관찰이 가능하며, 생체시료 분석에 적합하여 세포 소기관 관찰에 많이 사용되고 있다.
JEM-1400 plus는 고전압으로 가속된 전자빔을 조사시켜 시편과의 상호작용에 의해서 일어나는 투과 회절빔을 이용하여 미세조직을 관찰하고, 결정이나 계면 결함의 원자 배열을 직접 육안으로 확인할 수 있다.- 장비 활용분야
투과전자현미경은 전자현미경의 한 종류로 광원과 광원 렌즈 대신에 전자빔과 전자 렌즈를 사용한 현미경이다.
투과전자현미경의 작동원리는 광학 현미경과 같으나, 투과전자현미경의 광원은 가속 전자빔으로 시편을 투과하고 상의 배율 조절을 위해 전자 렌즈의 작용을 전장으로 조절하는 것이다.전자빔의 파장은 0.05(옹스트롬) 정도로 짧으며, 최근 전자현미경은 수백만 배까지 고해상도로 상을 확대해서 관찰이 가능하여 생물학·의학·공학 등 넓은 분야에 걸쳐 이용되고 있다.
투과전자현미경은 주로 고분자, 금속재료의 미세구조, 바이러스와 같은 미생물, 세포내 생체소기관, 단백질의 분자구조, 결정성 화합물의 결정구조, 결정결함, 회절패턴 관찰에 활용되고 있다.- 국내 설치 현황
[ Hitachi H-7500, Hitachi ]
NFEC-2001-04-040066 /1999-08-21 /전북 /서남대학교 /활용
NFEC-2001-05-040076 /1999-02-22 /경북 /동국대학교 /활용
NFEC-2008-06-057617 /2004-07-01 /경남 /국립식량과학원 /활용
NFEC-2007-12-054486 /2001-03-26 /부산 /부경대학교 대연캠퍼스 /활용
NFEC-2000-08-039094 /1997-01-01 /부산 /국립식물검역원 영남지소 /활용[ JEM-1400, JEOL ]
NFEC-2008-12-069159 /2008-05-23 /광주 /전남대학교병원 /활용
NFEC-2012-09-171087 /2009-04-13 /울산 /울산과학기술원 /활용■ 공초점 레이저 주사현미경
최근 자가포식 소포체를 염색할 수 있는 다양한 형광시약들이 출시되고, 자가포식 작용을 형광현미경으로 분석할 수 있는 기술이 다양해졌다. 요시노리 오스미 교수는 공초점레이져주사현미경(Zeiss LSM 510 Meta, Zeiss, 독일)을 사용하여 식물세포와 같은 두꺼운 조직에서 자식작용을 형광이미지로 관찰하여 다수의 연구논문을 게제하고 있다(그림6).
Zeiss LSM 510 Meta는 Ultra-fast infra red laser source를 광원으로 멀티포톤 현상을 이용하여 살아있는 세포 및 조직을 장시간 관찰하여 고해상도 형광 이미지를 도출할 수 있다.
또한 비특이적인 파장방출을 분리할 수 있어 여러 형광물질을 동시에 여기 시켜 검출 할 수 있으며, 특히 식물세포와 같은 두꺼운 시료에서 형광이미지를 관찰하는데 용이한 장비이다.
- 장비 활용분야
공초점 레이저 주사현미경은 레이저를 광원으로 시료에 조사하여 발광된 파장영역의 빛을 조리개로 분리한 후 디지털 신호화하여 컴퓨터로 전송하는 원리로 제작되었다.
이 장비는 요철이 있는 시료면에 대해 시야 전면에 초점이 맞는 고해상도 이미지를 얻을 수 있으며, 비파괴·비접촉의 3차원 형상 계측도 가능하다.이러한 공초점 현미경은 본래 산업적 용도로 시료의 표면 관찰을 위해 개발되었으나, 현재 주로 생명공학·의학 분야에서 생체조직의 관찰을 위한 용도로 이용되고 있다.
최근에는 시료의 구조 뿐만 아니라 살아있는 시료를 대상으로 생리학적인 기능 연구가 발전하고 있으며, 이러한 기술개발은 신약개발 등에 활용되고 있다.
- 국내 설치 현황
NFEC-2013-09-182860 /2006-05-30 /서울 /고려대학교 /활용
NFEC-2007-10-018007 /2003-02-13 /경북 /포항공과대학교 /활용
NFEC-2016-01-207184 /2006-12-05 /충북 /한국교통대학교 /활용
NFEC-2016-05-209681 /2007-11-09 /전북 /전북대학교 /활용
NFEC-2011-08-151006 /2008-12-16 /연세대학교 /활용
NFEC-2004-08-035544 /2004-04-02 /강원 /한국기초과학지원연구원 /활용
NFEC-2001-07-022940 /2001-02-15 /한국기초과학지원연구원 /활용
NFEC-2003-07-041761 /2001-02-07 /서울 /경희대학교 산학협력단 /활용
NFEC-2008-07-061123 /2006-05-31 /서울 /이화여자대학교 산학협력단 /활용
NFEC-2007-04-019853 /2006-01-31 /서울 /연세대학교 /활용
NFEC-2007-12-051017/2007-04-05 /경남 /인제대학교 산학협력단 /활용
NFEC-2001-04-040006 /2000-12-29 /경기 /국립산림과학원 /활용
NFEC-2011-08-151004 /2008-12-16 /연세대학교 /활용
NFEC-2007-12-049739 /2007-03-21 /대전 /한국과학기술원 /활용
NFEC-2007-12-053822 /2006-09-14 /광주 /조선대학교 산학협력단 /활용
NFEC-2008-07-061487 /2005-10-31 /서울 /서울대학교 산학협력단 /활용
NFEC-2008-07-061005 /2005-11-10 /서울 /서울대학교 산학협력단 /활용
NFEC-2012-06-165917 /2007-12-20 /광주 /전남대학교병원 /활용
NFEC-2015-06-203283 /2007-10-15 /인천 /인하대학교 /활용