가톨릭대 의대 조미라 교수·서강대 강태욱 교수 연구팀, 미토콘드리아 손상으로 인한 질환 원천치료 가능성 제시
금 메타나노입자에 의한 미토콘드리아 기능 강화·손상된 기능 회복 효과 입증
[보건타임즈] 가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 조미라 교수팀이 서강대학교 강태욱 교수팀과 공동연구로 미토콘드리아 손상에 의해 발생하는 질환에 대한 원천치료 가능성을 제시했다.
미토콘드리아-금 메타나노입자 복합체 형성을 통해 미토콘드리아의 기능강화, 손상된 미토콘드리아의 기능회복 효과를 입증했다.
조미라 교수 연구팀은 미토콘드리아의 표면전하 및 막구조 특성에 착안해 물리적 특성이 제어된 금 메타나노입자(gold nanoparticle, GNP)와 복합체를 형성하여 세포수준에서 미토콘드리아의 기능 조절 효과 조사를 진행했다.(사진: 왼쪽부터 가톨릭학교 의과대학 의생명과학교실 조미라 교수, 가톨릭학교 의과대학 우진석 연구교원, 서강대학교 화공생명공학과 강태욱 교수, 서강대학교 조유승 연구원)
미토콘드리아는 세포의 신진대사, 증식·세포사멸을 조절해 세포의 운명을 조절하는 세포내 중앙 소기관이다.
특히, 미토콘드리아는 일련의 단백질 복합체 I-IV 산화환원 반응을 통해 NADH를 이용하여 산소를 생성하게 되는데, 이 과정에서 전자를 전달하는 미토콘드리아 내막의 전자전달계(electron transport chain, ETC)가 중요한 역할을 한다. 전자전달계의 단백질 복합체는 종종 미토콘드리아 DNA 돌연변이 또는 활성산소(reactive oxygen species, ROS)로 인해 기능 장애가 발생하게 된다.
<미토콘드리아와 금 메타나노입자 복합체 형성 확인>
결과적으로 기능 장애가 있는 전자전달계 복합체를 통한 전자 흐름이 강하게 억제되어 양성자 구배, 산소 소비 및 ATP 생산과 같은 전자전달계의 활성이 감소하게 된다. 이러한 미토콘드리아의 기능 장애는 염증, 신경변성, 심혈관 질환을 포함하는 다양한 미토콘드리아 질환과 밀접한 관련이 있다. 또 정상적인 전자전달계에서도조차 이동되는 전자의 약 2%가 주변 분자 산소와 반응하여 전자전달계의 단백질 복합체에 산화적 손상을 일으키는 활성산소를 생성하는 것으로 알려져 있다.
손상된 전자전달계의 기능을 회복 시기키 위해 이데베논(idebenone), 메틸렌 블루(methylene blue)와 같은 물질들이 사용되고 있지만 세포 독성이 발생하는 등 그 기능이 제한되어 있다.
연구팀은 본 연구에서 금 메타나노입자가 미토콘드리아의 내부 막에 선택적으로 결합해, 전자전달계를 대체함으로써 미토콘드리아 전자전달계 활성을 증가시켜 효율적인 전자 전달 매개체로 활용될 수 있음을 보여줬다.
<미토콘드리아-금 메타나노입자 복합체의 미토콘드리아 기능 강화효과>
<미토콘드리아-금 메타나노입자의 손상된 미토콘드리아 기능 회복효과>
광학현미경을 통해 금 메타나노입자가 미토콘드리아에 결합하여 복합체가 형성되는 것을 실시간으로 확인했고, 전자전달계에 근접해 위치한다는 사실을 추가로 밝혀냈다. 건강한 마우스 비장세포에서 미토콘드리아-금 나노입자 복합체 이식은 미토콘드리아 단독 이식의 경우와 비교하였을 때, 미토콘드리아의 막전위가 증가하는 것을 확인했으며, 산소 소비(oxygen consumption rate, OCR)가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또 미토콘드리아의 중요 기능 중 하나인 ATP 생산이 미토콘드리아-금 나노입자 복합체 이식에 의해 증가되는 것을 확인하였다. 아울러 손상된 마우스 비장세포에 미토콘드리아-금 나노입자 복합체를 이식하게 되면 미토콘드리아 단독 이식 때와 비교하여 손상되었던 미토콘드리아의 기능(막 전위)이 회복되는 것을 확인할 수 있었다.
이 연구에서 미토콘드리아-금 메타나노입자 복합체의 이식이 미토콘드리아 단독 이식과 비교하였을 때 건강한 세포의 미토콘드리아 기능을 더욱더 강화시켜 주는 것은 물론, 손상된 세포에서 기능이 저하된 미토콘드리아의 기능을 회복시켜줄 수 있음이 확인된 것이다.
한편, 이번 연구는 ‘강화된 미토콘드리아 전자전달계 활성을 통한 효율적인 전자 전달 매개체로서의 내부 막 결합 금 나노입자(Inner-Membrane-bound Gold Nanoparticles as Efficient Electron Transfer Mediators for Enhanced Mitochondrial Transport Chain Activity)라는 제목으로 최근 세계적 학술지 ‘Nano Letters(IF:12.262)’에 게재됐다.
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