KAIST

< (왼쪽부터) 생명과학과 이채연 박사, 허원도 석좌교수 >

기존의 ‘광유전학적 분자 응축물 기술(생체 분자를 빛을 사용해 특정한 덩어리(응축체)로 뭉치게 하거나 풀리게 조절하는 기술)’은 세포 안에서 여러 단백질이나 RNA가 다양하게 섞이기 때문에 원하는 분자만 골라서 다루기 어렵다는 한계가 있었다. 이 한계를 넘어, 우리 연구진이 ‘빛’을 쪼여 세포 속 특정 단백질이나 유전정보(mRNA)를 원하는 시점에 꺼내 쓸 수 있는 기술을 개발하여 유전자 조절 기술, 신약 개발 등에서의 새로운 가능성을 제시했다. 

우리 대학 생명과학과 허원도 석좌교수 연구팀이 물리학과 박용근 석좌교수 연구팀과 협력하여, 단백질 및 mRNA를 세포 내에서 빛으로 원하는 시점에 저장(Store)하고 방출(Release)할 수 있는 ‘릴리저 기술(RELISR, REversible Light-Induced Store and Release)’을 개발했다고 23일 밝혔다. 

이번 연구는 세포 내 다양한 생체 분자가 막이 없는 응축체(Biomolecular Condensate)에 저장돼 기능을 조절한다는 최신 세포기능 조절 원리를 빛으로 구현한 기술이다.

< 그림 1. 인공 응축물 시스템 (RELISR) 개요. 인공 응축물 시스템 RELISR는 단백질을 저장하는 “Protein-RELISR”와, mRNA를 저장할 수 있는 “mRNA-RELISR”가 있다. 이 인공 응축물들은 청색광조사에 의해 분해되고, 암흑 상태에서 재조립될 수 있다. >

연구팀은 특정 분자와 선택적으로 결합하는 표적 부위가 부착된 광유전학 단백질 복합체를 증폭해, 빛 반응 분자 저장·방출 시스템인 릴리저 기술을 설계했다. 이를 통해 세포 및 생체 내에서 특정 단백질 혹은 mRNA를 릴리저에 안정적으로 저장해 빛을 비추면 원하는 시점에 방출할 수 있음을 증명했다. 

연구팀은 다양한 세포주와 신경세포, 그리고 생쥐 간 조직 등에서 해당 시스템의 효과를 입증했다. 

연구팀은 단백질을 저장⸱방출하는 단백질 방출시스템인 ‘단백질 릴리저 (Protein-RELISR)’를 통해 세포 모양 변화, 신경세포 내 국소 단백질 활성 등 미세 환경에서의 생화학 반응을 실시간으로 제어하는 데 성공했다. 

아울러, mRNA를 표적으로 하는 mRNA 방출시스템인‘mRNA 릴리저 (mRNA-RELISR)’를 활용해, mRNA가 세포질 내에서 번역될 시점을 빛으로 조절하는 데 성공했으며, 실제 생쥐 모델에서도 mRNA 번역 조절이 가능함을 확인했다.

빛으로 표적 분자를 순간적으로 ‘가두는’ 기존 연구 LARIAT(단백질 올가미, 2014), mRNA-LARIAT(mRNA 올가미, 2019)에서 나아가, 이번 연구에서는 동일한 광자극으로 세포 내 무막 응축체에 저장된 단백질과 mRNA를 즉시 ‘방출해’단백질의 기능을 복원하고 mRNA 번역을 활성화할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다. 

연구를 주도한 허원도 석좌교수는 “릴리저(RELISR) 플랫폼은 광유전학 원리를 기반으로 단백질과 mRNA를 원하는 시간, 장소에서 저장하고 방출할 수 있는 범용 도구로, 뇌 신경세포 연구나 세포치료제, 차세대 신약 개발 등에 폭넓게 응용될 수 있다”며 “향후 유전자 가위(CRISPR-Cas) 시스템 등과의 결합이나, 조직 특이적 전달 기술(AAV 등)과 접목할 경우, 더욱 정밀한 치료 도구로 확장될 수 있을 것”이라고 설명했다.

< 그림 2. 인공 응축물 시스템(RELISR)을 활용한 세포 모양 변화. 인공 응축물 안에 Vav2라는 세포 모양에 기여하는 표적 단백질을 저장하고 있다가 광조사 후 방출하여, 표적 단백질 Vav2가 활성화되어 세포 모양을 변화시키는 것을 관찰하였다. 다양한 단백질들에서 저장과 방출, 단백질의 활성화가 효과적으로 이루어지는 것을 확인했다. >

이번 연구는 생명과학과 허원도 석좌교수(교신저자)의 지도로, 이채연 박사(연구 당시 학생, 제1 저자)가 중심이 되어 연구를 수행했다. 공동 교신저자인 물리학과 유다슬이 박사와 박용근 석좌교수도 연구에 참여했으며, 특히 박용근 교수 연구팀은 이미징 기반 분석을 통해 세포 내에서 ‘릴리저(RELISR)’ 시스템이 유도하는 생물리학적 변화를 정량적으로 평가하고, 실험 결과의 신뢰성과 객관성을 높이는 데 중요한 역할을 담당했다.

< 그림 3. 생쥐 내에서 인공 응축물 시스템(RELISR)을 활용한 표적 mRNA의 발현 인공 응축물 시스템 RELISR 유전물질을 살아있는 생쥐에 주사하였다. 이 시스템을 활용하여 생쥐 간 내에서 표적 mRNA를 저장하다 광조사를 통해 방출하여 발광 단백질의 번역을 유도하였다. >

생명과학연구소 이채연 박사가 제1 저자로 주도한 이 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 2025년 7월 7일자로 게재됐다.

논문명: Optogenetic storage and release of protein and mRNA in live cells and animals

DOI: 10.1038/s41467-025-61322-y

한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성재단과 한국연구재단 유전자편집·제어·복원기반기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.