Detecting single molecules
단분자이미징 연구실(Single Molecule Imaging Lab.)에서는 형광 분자 하나를 검출할 수 있는 초민감 검출 기술을 기반으로 하는 다양한 연구를 수행합니다. 반응 용기에 섞여 있는 분자들을 한꺼번에 측정하지 않고 분자 하나 하나를 각각 이미징할 수 있다면, 그 분자의 구조 변화 및 성질에 대해서 보다 더 정확하고 자세한 정보를 얻을 수 있게 됩니다. 아래의 그림에서 보여지는 바와 같이 단분자 검출 기술을 사용하지 않을 경우에는 두 가지 분자가 섞여 있을 때 두 분자의 평균 성질만을 관찰할 수 있습니다. 하지만, 분자 하나 하나를 검출하게 되면 섞여 있는 상태에서도 어떤 종류의 분자들이 섞여 있으며, 각 분자들이 몇 개 씩 섞여 있는 상태인지에 대한 정량적인 정보까지 얻을 수 있게 됩니다. 또한, 시간에 따라서 실시간으로 각 분자의 구조 및 상태를 관찰할게 되면, 각 분자의 반응이 동기화되어 있지 않은 상태에서도 분자의 반응 경로를 관찰할 수 있기 때문에 다양한 분자 반응 연구에 활용될 수 있습니다.
smFRET as a nano-ruler
단분자이미징 연구실(Single Molecule Imaging Lab.)에서는 형광 분자 하나를 검출할 수 있는 초민감 검출 기술을 기반으로 하는 다양한 연구를 수행합니다. 반응 용기에 섞여 있는 분자들을 한꺼번에 측정하지 않고 분자 하나 하나를 각각 이미징할 수 있다면, 그 분자의 구조 변화 및 성질에 대해서 보다 더 정확하고 자세한 정보를 얻을 수 있게 됩니다. 아래의 그림에서 보여지는 바와 같이 단분자 검출 기술을 사용하지 않을 경우에는 두 가지 분자가 섞여 있을 때 두 분자의 평균 성질만을 관찰할 수 있습니다. 하지만, 분자 하나 하나를 검출하게 되면 섞여 있는 상태에서도 어떤 종류의 분자들이 섞여 있으며, 각 분자들이 몇 개 씩 섞여 있는 상태인지에 대한 정량적인 정보까지 얻을 수 있게 됩니다. 또한, 시간에 따라서 실시간으로 각 분자의 구조 및 상태를 관찰할게 되면, 각 분자의 반응이 동기화되어 있지 않은 상태에서도 분자의 반응 경로를 관찰할 수 있기 때문에 다양한 분자 반응 연구에 활용될 수 있습니다.
Quantifying the molecular interaction
at the single-molecule level
smFRET을 이용하면 분자 사이의 거리 변화를 나노미터 수준으로 측정할 수 있기 때문에 분자 간 상호 작용 연구에 활용될 수 있습니다. 생명 현상을 유지하기 위해서는 DNA나 RNA와 같은 유전 물질과 다양한 효소 활성을 갖는 단백질의 작용이 필수적이고, 유전체나 단백질의 활성은 분자 간의 상호 작용에서 시작한다고 말할 수 있습니다. 예를 들면, DNA의 유전 정보 복제 과정은 DNA 가닥에 DNA 중합 효소가 결합을 하면서 시작하고, 세포 내 신호 전달 과정은 리간드와 수용체와의 상호 작용으로부터 시작합니다. 즉, 생명체 내의 생명 현상의 기본은 분자 간의 상호 작용에서 시작되기 때문에, 분자 간 상호 작용 연구는 생명 현상에 대한 이해를 넓히는데 기여할 수 있습니다. 또한, 알츠하이머나 파킨슨 병과 같은 퇴행성 신경 질환은 단백질 분자 간 상호 작용에 의한 단백질 중합 현상에 의해 일어나기 때문에 이에 대한 연구는 단백질 중합 현상에 대한 작용 기작을 밝혀 냄으로서 질병의 원인 및 치료법을 개발하는데 일조할 수 있습니다.
Quantifying the genetic materials
at the single-cell level
단분자이미징 연구실에서는 smFISH (sinlge-molecule Fluorescence In Situ Hybridization)라는 유전자 이미징 기술을 활용하여 유전자 저해와 같은 다양한 유전자 조절 과정에 대한 연구를 단일 세포 수준에서 수행합니다. 아래의 그림에서 보는 것과 같이, 연구하고자 하는 유전자의 염기 서열을 알게 되면, 이 염기 서열에 결합할 수 있는 FISH probes를 디자인하여 세포에 넣어줌으로서 연구하고자 하는 특정 유전자를 단일 세포 수준에서 검출할 수가 있습니다. 이러한 과정을 통해서 얻은 lamin A mRNA를 이미징한 결과가 아래의 이미지와 같이 나타나게 되는데, 초록색 형광 스팟 하나가 lamin A 유전자의 mRNA 하나라고 볼 수 있습니다. 이를 정량적으로 분석하게 되면 해당 유전자가 어떤 식으로 조절되는지에 대한 연구를 수행할 수 있습니다.
Developing the ultra-sensitive diagnosis techniques
단분자이미징 연구실에서는 단분자의 형광 검출이 가능한 초민감 검출 기술을 기반으로 하여 다양한 진단 기술을 개발하고 있습니다. 특히, 유전체 검출 기술에 초점을 두어 암의 조기 진단을 위한 ctDNA 검출 기술 및 유전병 진단을 위한 alternative splicing을 정량적으로 검출할 수 있는 기술 등을 개발하고 있는데. 이들 기술은 극소량의 유전체 변형을 정량적으로 검출할 수 있을 것으로 기대되기 때문에 질병의 조기 진단 등에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.