생화학분자생물학회

Laboratory of Bio-Imaging and Cell Signaling​

(바이오이미징 및 세포신호전달 연구실​)

김태진

부산대학교 자연과학대학 생명과학과

[연구실 소개]

저희 바이오이미징 및 세포신호전달 연구실은 세포 과정의 메커니즘을 이해하기 위해 단백질들을 바이오센서와 실시간 고해상도 이미징 기술로 연구를 하고 있습니다. 연구의 주요 목표는 세포 내 신호 전달 경로의 조절과 소통, 생화학적 신호 뿐만 아니라 기계적 힘의 역할을 깊이 탐구하는 것입니다. 이를 위해 생화학, 분자생물학, 생물물리학, 기계생물학 등 다양한 분야를 아우르는 다학제적인 접근 방식을 도입하여 연구에 활용하고 있습니다. 저희 연구실에서 주로 사용하는 형광 공명 에너지 전달(FRET) 기술은 두 분자 간의 거리와 상호작용을 연구하는 강력한 기술로, 도너 형광체에서 애셉터 형광체로 에너지를 전달하여 빛을 방출합니다. FRET는 단백질-단백질 상호작용, DNA-단백질 상호작용, 효소-기질 상호작용 등 다양한 분야에서 활용되며, 세포막과 세포골격의 동역학 연구에도 중요한 역할을 합니다. 특히, 저희가 개발하는 바이오센서는 유전적으로 암호화된 FRET 센서로써 높은 민감도와 정확성을 갖추고 있어 단백질, 효소, 이온, 소분자 등의 다양한 분석 물질을 탐지하고 연구하는 데 사용됩니다. 이는 약물 스크리닝 및 질병 진단 등의 연구 및 의료 응용 분야에서도 널리 활용될 수 있으며, 이들 연구를 통해 최종적으로, 아직 밝혀지지 않은 중요한 생물학적 질문에 답하고 암과 같은 난치성 질병의 진단 및 치료에 기여하는 것을 목표로 하고 있습니다.

[연구내용]

1. 질병 연계 단백질 타겟 발굴하여 세포 내 기능 및 역할 연구

저희 연구실은 질병의 원인이 되는 단백질 타겟을 발굴하고, 이들의 세포 내 기능과 역할을 규명하기 위한 바이오센서 설계 및 연구에 중점을 두고 있습니다. 유전자 암호화 형광단백질 기반 바이오센서 기술을 개발하여 단백질 간 상호작용, 단백질-리간드 결합, 그리고 단백질의 구조적 변화를 실시간으로 살아있는 세포 이미징 기반으로 탐지하고 기능 연구를 수행하고 있습니다.

그림 1. 유전자 암호화 바이오센서 설계 및 개발 연구

2. 세포 간 소통과 세포-세포외기질(cell-ECM) 기계생물학 (mechanobiology) 연구

저희 연구실은 세포 간 소통(cell-cell communication)과 세포-세포외기질(ECM) 기계생물학(mechanobiology) 연구에도 중점을 두고 있습니다. 세포간 신호교환 및 소통의 메커니즘을 이해하고, 이러한 상호작용이 세포의 기능과 생존에 미치는 영향을 규명하고 있습니다. 또한 세포-세포외기질 기계생물학 연구를 수행하며 세포가 환경에서 받는 기계적 신호를 감지하고 반응하는 메커니즘을 연구하고 있습니다. 세포가 물리적 힘을 인식하고 그 신호를 생화학적 반응으로 전환하는 과정을 이해하기 위해, 다양한 이미징 기술과 저희가 자체 개발한 바이오센서를 활용합니다. 특히, 세포의 구조적 변화와 기계적 응답을 고해상도로 관찰하고 분석하여 세포의 동력학(dynamics)과 기계적 특성의 상호작용을 규명하는 것을 목표로 하고 연구를 수행하고 있습니다. 궁극적으로 이러한 메커니즘을 활용하여 질병의 진단 및 치료를 위한 새로운 접근 방안을 개발하는 것입니다. 

그림 2. 알파-카테닌 바이오센서 및 traction force microscopy 활용으로 단백질 메카노센서 기능 연구

3. 바이오센서를 활용하여 고효율 약물 스크리닝(HTS, High-Throughput Screening) 연구

저희 연구실은 바이오센서를 활용하여 고효율 약물 스크리닝(HTS, High-Throughput Screening) 연구를 병행하여 수행하고 있습니다. HTS 약물 스크리닝은 대량의 화합물 또는 샘플을 신속하게 테스트하여 질병 치료에 유용한 후보 물질을 식별하는 방법입니다. 연구실에서 개발한 바이오센서는 단백질 간 상호작용, 단백질-리간드 결합, 단백질의 구조적 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 고감도, 고특이성 센서입니다. 특히, 형광 공명 에너지 전달(FRET) 및 생물발광 공명 에너지 전달(BRET) 기술을 이용하여 다양한 바이오센서를 설계하고, 이를 통해 약물의 효과를 정확하게 평가할 수 있습니다. 이 바이오센서 시스템을 활용하여 HTS 약물 스크리닝을 수행하면, 대량의 화합물 중에서 효과적인 약물 후보를 신속하게 발견할 수 있습니다. 연구실은 안정적으로 바이오센서를 발현하는 세포주를 생성하여 다양한 단백질 타겟의 스크리닝을 수행하고, 그 결과를 바탕으로 약물의 생물학적 효과와 작용 메커니즘을 분석합니다. 이를 통해 저희 연구실은 암, 신경퇴행성 질환, 감염병 등 다양한 질병의 치료를 위한 혁신적인 약물 개발에 기여하고자 합니다. 궁극적으로, 바이오센서 기반 HTS 약물 스크리닝 기술은 빠르고 정확한 약물 발견을 가능하게 하여 의료 분야의 발전에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

그림 3. 저희 연구실에서 개발한 에스트로겐수용체 바이오센서(ERDDB)를 활용한 estrogen analogs  고효율 약물 스크리닝(HTS) 기술 연구

[연구 책임자]

김태진 교수

주소: 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2 첨단과학관 809호

전화: 051-510-2261

Email: tjkim77@pusan.ac.kr

Homepage: https://tjkim77.wixsite.com/cmbl

[연구진 구성]

교수: 김태진

석박사통합과정: 서정수, 장윤관, 최규호, 한기석, 이예림

박사과정: 안상현

석사과정: 이다희, 송찬희, 고정민, 김민지, 후샤오치

학부연구생: 나현수

[대표 논문]

1. Choi, G., Kang, H., Suh, J. S., Lee, H., Han, K., Yoo, G., Jo, H., Kim, T. J.*, and Youn, B*. (2024) Novel estrogen receptor dimerization BRET-based biosensors for screening estrogenic endocrine-disrupting chemicals. Biomaterials Research. 28, 0010. (*co-correspondence)

2. Ahn, S., Suh, J. S., Jang, Y. K., Kim, H., Han, K. S., Lee, Y., Choi, G., and Kim, T. J. (2023) TAUCON and TAUCOM: A Novel Biosensor Based on Fluorescence Resonance Energy Transfer for Detecting Tau Hyperphosphorylation-Associated Cellular Pathologies. Biosens. Bioelectron. 237, 115533.

3. Suh, J. S., and Kim, T. J. (2023) A novel DNA double-strand breaks biosensor based on fluorescence resonance energy transfer. Biomaterials Research. 27, 15.

4. Suh, J. S., Kim, H. S., and Kim, T. J. (2021) Development of a SARS-CoV-2-derived receptor-binding domain-based ACE2 biosensor. Sens. Actuators B-Chem. 334, 12966.

5. Kim, T. J.*, Lei, L., Seong, J., Suh, J. S., Jang, Y. K., Jung, S. H., Sun, J., Kim, D. H., and Wang, Y*. (2019) Matrix rigidity-dependent regulation of Ca2+ at the plasma membrane microdomains by FAK visualized by fluorescence resonance energy transfer. Adv. Sci. 6, 1801290. (*co-correspondence)

6. Kim, T. J., Zheng, S., Sun, J., Muhamed, I., Wu, J., Lei, L., Kong, X., Leckband, D. E., and Wang, Y. (2015) Dynamic visualization of α-Catenin reveals rapid, reversible conformation switching between two tension states. Curr. Biol. 25, 218-224.

7. Kim, T. J., Joo, C., Seong, J., Vafabakhsh, R., Botvinick, E. L., Berns, M. W., Palmer, A. E., Wang, N., Ha, T., Jakobsson, E., Sun, J., and Wang, Y. (2015) Distinct mechanisms regulating mechanical force-induced Ca2+ signals at the plasma membrane and the ER in human MSCs. eLife. 4, e04876.

8. Kim, T. J., Sun, J., Lu, S., Zhang, J., and Wang, Y. (2014) The regulation of beta-adrenergic receptor-mediated PKA activation by substrate stiffness via microtubule dynamics in human MSCs. Biomaterials. 35, 8348-8356.

9. Kim, T. J., Xu, J., Dong, R., Lu, S., Nuzzo, R., and Wang, Y. (2009) Visualizing the effect of microenvironment on the spatiotemporal RhoA and Src activities in living cells by FRET. Small. 5, 1453-1459.​