배경

세포는 외부 화학 물질뿐 아니라 혈류에 의한 전단응력(shear stress), 혈압 변화, 조직 팽창 같은 다양한 물리적 힘에 끊임없이 노출된다. 인간 유전체에 존재하는 800여 종의 G단백질 결합 수용체(G protein-coupled receptor, GPCR)는 체내 신호전달의 중심축을 담당하며 화학적 리간드 외에 물리적 자극도 감지한다고 알려졌다. 혈관 내피세포나 심근세포 표면의 수용체는 기계적 힘을 받아 혈압을 조절하고 조직 재형성을 유도한다.

그러나 수용체가 외부의 물리적 장력을 감지해 세포 내부로 신호를 전달하는 기전은 오랫동안 명확히 규명되지 못했다. 기존 형광 공명 에너지 전달(fluorescence resonance energy transfer, FRET) 센서는 낮은 신호 대 잡음비와 수 초 이상의 느린 반응 속도로 구조적 한계를 보였다. 단파장 가시광선 영역의 광독성과 조직 투과율 저하 역시 장시간 생체 관찰을 가로막는 장애물. 물리적 자극이 발생하는 순간 수용체 입체구조 변화를 밀리초 단위로 추적할 새로운 측정 도구가 절실했던 배경이다.

핵심 발견

연구진은 기계적 자극을 받으면 실시간으로 적색 형광 신호를 내뿜는 유전체 부호화 바이오센서 메카노라이트(mechanoLight)를 설계했다. 기계 감수성을 지닌 안지오텐신 II 수용체 1형(AT1R)의 세포 내 세 번째 고리(ICL3)에 원형 치환 적색 형광 단백질을 삽입한 구조다. 세포막에 물리적 인장력이 가해지면 막 관통 나선 구조의 미세한 비틀림이 형광 발색단 주변의 정전기적 환경을 바꿔 적색 형광을 즉각 증폭시킨다.

실험 결과 메카노라이트는 기계적 자극 인가 후 150밀리초(ms) 만에 기준선 대비 140퍼센트(%) 이상의 형광 강도 증가(ΔF/F₀ > 1.4)를 기록했다. 기존 FRET 기반 복합 센서의 형광 변화율이 15~20% 수준에 머물렀던 점을 고려하면 7배를 웃도는 신호 감도다. 560나노미터(nm) 파장의 빛을 흡수하고 610nm 영역의 적색 형광을 방출하므로 세포 자체의 자가 형광 간섭을 최소화했다. 녹색 칼슘 지시체와 함께 세포에 주입해도 파장 겹침이 없어 다중 신호의 동시 실시간 추적이 가능하다는 분석.

기계적 자극의 물리적 성격에 따른 정량 분석 역량도 뛰어나다. 혈관 내피세포에 0.5다인(dyn/cm²)부터 25dyn/cm²까지 전단응력을 단계별로 가하자 힘의 세기에 비례하는 선형적 형광 상승 곡선이 관찰됐다. 화학 작용제 투여 시 나타나는 구조 변화와 물리적 장력에 의한 활성화 키네틱스는 확연히 다른 양상을 나타냈다. 물리적 외력은 고전적 G단백질 경로 대신 베타-아레스틴(β-arrestin) 축을 우선 자극하는 편향 신호를 촉발한다는 사실을 영상으로 입증한 셈.

의미와 전망

생체 역학(mechanobiology)과 수용체 약리학을 결합한 이번 기술은 기계 신호 전달 연구의 패러다임을 바꿀 도구로 평가받는다. 고혈압 환자의 혈관 비후, 죽상경화증 병변 부위의 난류성 혈류, 심부전 시 심근세포 과신장 등 병리적 물리 환경에서 GPCR이 어떤 분자적 변형을 겪는지 직접 규명할 길이 열렸다. 심혈관계뿐 아니라 물리적 압력 변화가 암세포 전이를 촉진하는 미세환경 연구에도 폭넓게 활용될 전망이다.

생체 내 적용을 위한 추가 검증 과제도 상존한다. 배양 세포 환경을 넘어 박동하는 심장이나 미세 순환 혈관 내부에서 심부 생체 조직을 장시간 안정적으로 관찰하려면 2광자 현미경(two-photon microscopy)과의 조합 기술이 필수적이다. 형광 단백질 결합이 고유의 수용체 고차 구조나 천연 리간드 친화도에 미치는 잠재적 영향을 최소화하는 추가 단백질 공학적 최적화 역시 완수해야 할 숙제로 남는다.