극저온 전자현미경으로 단백질 매핑 기술을 대중화할 수 있다

연구원들은 기존 디자인보다 훨씬 적은 비용으로 단백질 구조를 해결할 수 있는 저온전자현미경을 공개했습니다. 구조생물학자와 대화해 보세요. 그러면 그들은 자신의 분야에서 새롭고 멋진 방법이 어떻게 사용되고 있는지 알려줄 것입니다.

 

극저온 전자현미경(cryo-EM)은 단백질을 급속 냉동하고 이를 전자로 충격을 가함으로써 거의 원자 수준의 분해능으로 단백질 모양을 매핑하여 기능에 대한 단서를 제공하고 약물 개발자가 목표로 삼을 수 있는 돌출부와 계곡을 드러낼 수 있습니다. 이 기술은 다양한 구성에서 꿈틀거리는 단백질을 포착할 수 있으며, 결정화에 고집스럽게 저항하기 때문에 전통적인 X선 분석이 불가능했던 단백질도 포착할 수 있습니다. 많은 연구자는 내년에 해결되는 새로운 단백질 구조의 수에서 극저온-EM이 X선 결정학을 능가할 것으로 기대하고 있습니다.

 

그러나 모든 매력에도 불구하고, 극저온 전자현미경에는 결함이 있습니다. 즉, 냉동 과정이 까다롭고 현미경이 비쌉니다. 고급 기계는 구입 비용이 500만 달러 이상이고, 설치 비용도 거의 비슷하며, 작동 및 유지 관리 비용은 연간 수십만 달러에 이릅니다. 미국의 많은 주와 국가에는 극저온 전자 현미경이 하나도 없습니다. 오클라호마 대학의 구조생물학자인 라키 라잔은 "가진 자와 가지지 못한 자가 현재 상황이다. 현재는 하나가 부족하다"라고 말했습니다.

 

의학 연구 위원회 산하 분자 생물학 연구소(LMB)의 연구원들은 이 분야를 민주화하기 위해 노력해 왔습니다. 오늘 국립과학원에서 영국 연구팀은 첫 번째 구조를 해결한 프로토타입 극저온 전자현미경을 함께 연결하는 방법을 설명합니다. LMB 물리학자 크리스 루소가 페라리가 아닌 저렴한 작은 해치백이라고 부르는 이 기계는 비용의 10분의 1로 성능 면에서 고급 기계와 맞먹을 수 있습니다.

 

루소는 제조업체가 팀의 디자인을 상용화하기를 원하며, 그는 이를 제작하여 500,000달러에 판매할 수 있다고 믿습니다. 이는 신입사원의 스타트업 패키지나 국립보건원(NIH) 또는 국립과학재단이 제공하는 정규 장비 보조금 중 하나에 해당한다고 찬 주커버그 이미징 연구소의 창립 기술 이사인 브리짓 캐러거는 "그것은 놀라운 기계가 될 것입니다. 구조 생물학을 하고 싶은 사람은 누구나 할 수 있습니다"라고 말합니다.

 

최근 인공 지능(AI)의 발전은 구조 생물학을 수행하는 데 훨씬 더 저렴한 방법을 제공하는 것처럼 보일 수 있습니다. 인공 지능 알고리즘은 단순한 아미노산 서열로부터 단백질의 구조를 정확하게 예측할 수 있습니다. 그러나 인공 지능은 알려진 구조에 대해 훈련을 받았기 때문에 그들의 예측은 때때로 비정상적인 단백질 구성으로 인해 흔들리며 여전히 저온-EM을 대체할 수 없다고 루소는 말합니다.

 

기존 고급 극저온 전자현미경에 대한 접근성을 높이기 위해 국립보건원는 연구자가 없는 경우 분석용 샘플을 보낼 수 있는 국립 센터 3곳을 만들었습니다. 그러나 허브 앤 스포크 시스템에는 문제가 있습니다. 라잔은 종종 국립 센터의 결과를 기다리면서 몇 달을 보냈지만 자신의 샘플이 잘못된 것임을 알게 되었습니다. 그녀의 단백질 냉동 능력은 점점 나아지고 있지만 라잔은 자신의 샘플 중 10% 미만만이 좋은 데이터를 얻었다고 생각합니다.

 

이것이 바로 연구자들이 최고의 극저온 전자현미경을 구입할 여유가 없더라도 많은 사람이 더 높은 해상도의 이미지를 위해 국가 센터로 샘플을 보내기 전에 적어도 샘플의 품질을 확인할 수 있는 스크리닝 기계를 원하는 이유입니다. 이는 극저온 전자현미경을 개척한 LMB의 노벨상 수상자 리차드 헨더슨을 포함한 루소와 그의 동료들에게 주된 동기였습니다. 팀의 주요 통찰 중 하나는 전자빔이 고급 저온-EM 현미경에서 일반적으로 사용되는 에너지를 필요로 하지 않는다는 것입니다. 1/3 수준인 100KeV(킬로 전자볼트) 수준은 분자 구조를 밝히는 데 충분하며 스파크를 끄기 위해 규제 가스인 육불화황이 필요하지 않음으로써 비용을 절감합니다. 연구팀은 또한 전자를 집중시키는 렌즈 시스템과 샘플을 조사한 후 전자를 포착하는 검출기 시스템에서 개선의 여지가 있음을 확인했습니다.

 

결과 프로토타입을 통해 LMB 그룹은 11가지 다양한 단백질의 구조를 결정했습니다. 하나는 철분 저장 단백질인 아포페리틴(apoferritin)으로, 이는 극저온-EM 분해능 기록의 기준이 되었습니다 . LMB 연구원들은 이를 수소 원자 직경의 2.6배인 2.6옹스트롬으로 매핑했습니다. 이는 1.2옹스트롬이라는 기록적인 극저온 전자 분해능만큼 높지는 않지만 원자 모델을 만들기에는 충분하다고 루소는 말합니다. 그리고 그 과정은 빨랐습니다. 현미경이 냉동 단계와 동일한 실험실에 있었기 때문에 팀은 고급 기계에서 결과를 얻기 위해 몇 주를 기다리지 않고 샘플이 충분히 좋은지 빠르게 확인할 수 있었습니다. 루소는 "모든 단일 구조가 하루도 안 되어 완료되었습니다"라고 말합니다.

 

최고급 기계를 만드는 써모 피셔 사이언티픽은 이미 극저온 전자현미경 시장을 확대하고 있다고 밝혔습니다. 2020년에는 100KeV에서 작동하는 툰드라라는 저렴한 옵션을 판매하기 시작했습니다. 회사의 저온 EM 사업을 총괄하는 부사장인 트리샤 라이스는 "현재 도구를 갖춘 저온 EM을 소유할 수 있다는 사실을 결코 믿지 못하는 대학이 있다고 말하고 싶습니다"라고 말합니다. 실제로 라잔의 대학은 방금 150만 달러에 하나를 주문했습니다.

 

루소는 툰드라가 올바른 방향으로 나아가는 단계이지만 그의 팀의 혁신으로 극저온 전자현미경이 더욱 저렴해질 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 툰드라는 최고급 현미경에 사용되는 값비싼 전자 소스의 단순화된 버전으로 에너지를 줄이는 반면, LMB 프로토타입의 전자총은 처음부터 100KeV용으로 설계되었습니다. 그러나 그는 팀의 디자인을 상업화하려면 잠재적인 제조업체의 대규모 투자가 필요하다는 것을 알고 있습니다. 루소는 "우리는 그들 모두와 이야기를 나누고 있습니다"라고 말합니다. 하지만 결국 중요한 것은 그들에게 달려 있습니다.