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적외선을 방출하는 형광단백질 개발 Inven.Discov.Tech.

해파리나 산호에서 유래하는 형광단백질은 (유전자발현에서부터 탄저균 등의 병원체에 이르기까지) 모든 현상에 반응하여 빛(가시광선)을 발하기 때문에, 지난 10여 년 동안 생명과학 및 의학 분야의 연구에서 유용하게 활용되어 왔다. 그러나 가시광선은 투과성이 약하여 살아 있는 동물을 대상으로 한 연구에서는 활용도가 떨어진다는 단점이 있었다. UCSD의 연구진은 Science 5월 8일호에 실린 논문에서, 적외선을 방출하는 새로운 형광단백질을 개발하였다고 발표하였다. 적외선은 가시광선보다 훨씬 수월하게 조직을 통과할 수 있기 때문에, 이번에 개발된 새로운 형광단백질은 살아 있는 동물의 체내에 존재하는 개별분자를 추적하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다.

새로운 형광단백질은 Deinococcus radiodurans라는 세균의 단백질을 변형한 것이다. D. radiodurans는 고용량의 방사선에 노출되더라도 생존할 수 있는 능력을 지닌 것으로 유명하다. 선행연구에서는 D. radiodurans의 단백질 중 하나인 파이토크롬(phytochrome)이 가시광선 영역의 맨 끝부분인 짙은 적색광선을 흡수하는 것으로 밝혀진 바 있다. D. radiodurans는 광선을 흡수함으로써 얻은 에너지를 특정 유전자를 발현시키기 위한 신호를 전달하는 데 사용한다고 한다.

UCSD의 로저 첸 박사(Roger Tsien; 2008년 형광단백질에 관한 연구로 노벨 화학상을 공동으로 수상함) 연구팀은 "파이토크롬의 에너지를 적외선을 발생시키는 데 사용할 수는 없을까?"라는 생각을 하게 되었다. 연구진은 파이토크롬의 유전자를 조작하여, 생화학적 신호전달에 관여하는 부분을 잘라 내었다. 그 결과 생성된 새로운 단백질은 적외선을 생성하는 것으로 나타났지만, 빛의 강도가 매우 약했다. 이에 연구진은 파이토크롬 유전자를 여러 번에 걸쳐 돌연변이시켜, 그 중에서 가장 강력한 광선을 발하는 것을 선별하였다. 그리고는 마침내 최초의 단백질보다 4배가 강한 자외선을 발하는 단백질을 개발하는 데 성공하였다. 연구진은 새로운 파이토크롬 유전자를 아데노바이러스에 삽입한 다음 마우스의 간에 감염시켜 보았다. 아데노바이러스가 마우스의 꼬리정맥에 주입된 지 5일 후, 연구진은 마우스의 간으로부터 적외선이 방출되는 것을 검출할 수 있었다.(첨부그림의 우상단 참조)


"이번 연구는 형광단백질의 올바른 개발방향을 제시하는 주목할 만한 연구이다."라고 하버드 의대 및 베스이스라엘 디코니스 메디컬센터에 재직 중인 프랑지오니(John Frangioni) 박사는 논평했다. 연구진은 새로운 형광단백질을 이용하여 암과 같은 질병의 진행과정을 분자수준에서 추적하는 것이 가능할 것으로 보고 있다. 하지만 프랑지오니 박사는 새로운 단백질에서 방출되는 적외선의 상당부분이 동물의 조직에 의해 차단된다고 지적한다. 따라서 이러한 문제점을 보완하기 위해서는 보다 긴 파장의 적외선을 방출하는 단백질을 개발하는 연구가 지속되어야 할 것으로 보인다. 그러나 첸 박사에 의하면, 보다 긴 파장의 적외선을 방출하는 단백질을 개발하는 것은 가능하다고 한다. 왜냐하면 파이토크롬과 유사한 세균의 단백질 1,500개에 대한 유전자 데이터베이스가 이미 구축되어 있기 때문이다.
이번 연구는 학문적으로 생명과학 분야의 연구를 촉진할 뿐만 아니라, 임상적으로도 형광단백질을 이용한 영상화(fluorescence imaging) 분야의 발달을 선도할 획기적인 연구로 평가된다.

SOURCE: "Mammalian Expression of Infrared Fluorescent Proteins Engineered from a Bacterial Phytochrome", Science 8 May 2009: Vol. 324. no. 5928, pp. 804 - 807.


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http://sciencenow.sciencemag.org/

 

 

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Fluorescent Proteins Go Invisible

By Robert F. Service
ScienceNOW Daily News
7 May 2009

Highlight. The structure of the new infrared protein, and a shot of it glowing inside a living mouse (inset).

Credit: X. Shu et al., Science, 8 May 2009, p. 804

Fluorescent proteins have been lighting up biology labs for more than a decade, glowing in response to everything from gene expression inside cells to the presence of anthrax and other biowarfare agents. But the most useful fluorescent protein might be the one you never see. Researchers report that they've made a fluorescent protein that emits infrared light. Because infrared can pass through tissue more easily than visible light can, the advance should allow researchers to trace individual molecules throughout the bodies of mice and other small, live animals.

The new protein is a modified version of one found in the bacterium Deinococcus radiodurans, renowned for its ability to survive huge doses of radiation. Previous groups have noted that one of its proteins, known as a phytochrome, absorbs deep-red light at the far end of the visible spectrum. It uses that energy to send a signal to the cell to turn on particular genes.

Could the energy instead be used to create infrared light? Roger Tsien, a biochemist at the University of California, San Diego, who shared last year's Nobel Prize in chemistry for his work on fluorescent proteins (ScienceNOW, 8 October 2008), and his colleagues decided to find out. They reworked the protein's genetic code, chopping off the portion that carries out the biochemical signaling. The effort produced infrared fluorescent proteins, but they only shone weakly. So the researchers went through several rounds of mutating the modified phytochrome gene, selecting the strongest ones. It worked, producing a protein that shone four times as bright as the original, the team reports in tomorrow's issue of Science. The researchers also inserted the gene for the new protein into an adenovirus that infects mouse liver. Five days after injecting the virus into mice's tail veins, they spotted infrared fluorescence from the animals's livers (see picture).

The new work "is an important step in the right direction," says John Frangioni, a fluorescence imaging expert at Beth Israel Deaconess Medical Center and Harvard Medical School in Boston, Massachusetts. Researchers might use the technology to probe how diseases such as cancer progress at the molecular level, he says. But Frangioni notes that much of the light from the new protein can still be blocked by animal tissue, so researchers will have to find infrared proteins that emit at longer wavelengths. That could be possible, says Tsien, because genetic databases already harbor more than 1500 bacteria proteins resembling phytochromes. So the race will continue to see if one of those can shine in biology's sweet spot.

 

 

 

 





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