of 8 μM) 및 필요한 전하 잔기를 규명하였다. 형광 및 루시퍼레이스 리포터 시스템을 이용한 시험관 내(in vitro) 실험에서 ATP 결합 카세트(ABC) 수송체와 G. violaceus 전사 조절 인자(GvTcR)의 자기 조절(self-regulation)은 빛에 의해 조절되며, 실시간 중합효소 연쇄반응(real-time polymerase chain reaction)을 사용하여 G. violaceus에서 유전자 조절이 관찰되었다. 이러한 결과는 미생물 로돕신 기능의 자연적 잠재력과 한계에 대한 이해를 확장한다.

헬리오로돕신(HeRs)은 광범위한 기능을 가질 것으로 가설화되어 왔다. 최근 소수의 HeRs에 대해서는 그 기능이 밝혀졌으나, 가설적 기능은 여전히 대부분 알려지지 않았다. 본 연구에서는 Omithinimicrobium cerasi의 HeR인 Omithinimicrobium cerasi HeR 매개 방식으로, 이질이량체 다제내성 ATP 결합 카세트 수송체(OmrDE)의 빛 조절에 대해 조사하였다. 본 연구에서 HeR을 암호화하는 유전자 주변의 유전자들을 분류하고, 단백질-단백질 상호작용을 위한 고도로 보존된 잔기를 식별하였다. 그 결과, OcHeR과 OmrDE 간의 상호작용은 열역학적 파라미터를 통해 양(+)의 협동성을 보이며 순차적 결합을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 또한 빛에 의해 유도된 OcHeR은 OmrDE의 약물 수송을 상향조절한다. 따라서 결합은 약물이 포함된 서식지에서 생존하는 O. cerasi의 약물 내성에 중요할 수 있다. 종합하면, 본 연구는 다제내성에 대한 조절성 로돕신으로서 HeR의 기능을 밝혀낸다. 본 연구 결과는 옵토제네틱 기술에서의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.

광수용체는 다양한 생물에서 발견되는 빛에 민감한 단백질로서 빛에 반응하고 신호를 세포 내부로 전달한다. 망막 결합 막 단백질인 헬리오로돕신(Heliorhodopsin)은 최근에 발견되었으나 그 기능은 아직 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 동일한 오페론 내에서 Actinobacteria bacterium IMCC26103의 헬리오로돕신(AbHeR)과 인접한 글루타민 합성효소(AbGS) 사이의 연관성을 조사하였다. 우리는 AbHeR이 AbGS에 결합하며 AbGS의 활성을 조절함을 입증하였다. 구체적으로, AbHeR과 AbGS 간 결합의 해리상수(Kd) 값은 6.06 μM이었다. 또한 AbHeR의 세포내 루프(intracellular loop) 내 양전하를 띠는 아미노산 잔기의 부재는 AbGS의 핵심 결합 부위로 작용한다는 점에서 Kd 값에 영향을 미쳤다. 더 나아가 우리는 빛의 존재 하에서 시험관 내(in vitro) 및 생체 내(in vivo) 모두에서 AbHeR이 AbGS의 생합성 효소 활성을 상향 조절함을 확인하였다. GS(glutamine synthetase)는 질소 동화에 관여하는 핵심 효소로서, 글루탐산과 암모니아를 글루타민으로 전환시키는 반응을 촉매한다. 따라서 Actinobacteria bacterium IMCC26103이 영양이 낮은 환경에서도 생존할 수 있다는 점을 고려할 때, AbHeR과 AbGS 사이의 상호작용은 질소 동화에 있어 중요할 수 있다. 종합하면, 본 연구의 결과는 우리의 지식으로는 처음으로, 질소 동화에 필요한 효소 활성을 결합하고 조절할 수 있는 조절성 로돕신(regulatory rhodopsin)으로서 헬리오로돕신의 새로운 기능을 규명한다.

미생물 로돕신은 공여체(크로모포어)와 함께 기능하는 막관통 단백질로, 빛에 의해 조절된다. 자연계에서 레티날 크로모포어를 통한 조절은 생리적 현상에서 중요한 역할을 한다. 그러나 토양, 바다, 담수에 서식하는 생물들은 생합성 경로에서 레티날보다 카로티노이드를 우선적으로 합성한다. 진화는 추가적인 안테나 역할을 하는 색소들을 통해 에너지 변환 광시스템을 확장해 왔다. 선행 연구에서 Gloeobacter 로돕신과 크산토로돕신이 카로티노이드와 함께 이차 크로모포어를 형성할 수 있음이 보고되었다. 본 연구에서는 열호염성 로돕신(TR)과, 후자는 청색광 흡수성 프로테오로돕신으로 분류되는 Tara76 로돕신이 칸타크산틴(CAN)과 함께 이차 크로모포어를 형성할 수 있음을 보고한다. CAN과의 상호작용 이후 Tara76 로돕신과 TR은 높은 열 안정성과 광물리적 특성을 보였다. 등장성 적정 열량분석, 스펙트럼 이동 측정, 여기자(엑시톤) 분석을 이용하여 이들 로돕신과 CAN의 상호작용을 조사하였다. 그 결과, 이러한 상호작용은 고효율의 크로모포어 형성을 통해 온도 및 pH에 대한 안정성을 증가시켰을 뿐 아니라, CAN이 없는 경우에 비해 약 2배 높은 속도로 레티날을 신속하게 동원하는 것으로 나타났다.

막 수송 단백질은 생명체의 살아있는 세포에서 생물학적 막을 가로질러 이온과 분자를 선택적으로 수송함으로써 핵심적인 역할을 한다. 그중에서도 미생물 로돕신은 빛을 활용하여 이온 이동을 구동하는 데 있어 타의추종을 불허하는 능력을 지닌 독특한 존재이다. 이러한 특징 때문에 이들은 신경과학, 생리학, 의생명 응용 분야에서 광유전학(optogenetic) 도구로 널리 사용되어 왔다. 모든 미생물 로돕신이 이온 수송체로 기능하는 것은 아니지만, 1970년대에 처음으로 확인된 구성원—빛에 의해 구동되는 H+ 펌프—의 식별 이후 많은 이온 이동 변이체가 발견되었다. 이들 단백질은 단지 7개의 막관통 나선으로만 이루어진 소형의 구조를 공유하며, 오랫동안 H+ , Cl− , Na+ 와 같은 작은 무기 이온의 수송에만 특화되어 있는 것으로 여겨져 왔다. 여기에서, 몇몇 음이온을 펌핑하는 미생물 로돕신이 유기 음이온 또한 수송할 수 있음을 보인다. 특히 시아노박테리아 유래 로돕신은 벤젠 고리를 포함하는 것을 포함하여, 분자 부피가 약 ∼120 Å3 인 부피가 큰 유기 음이온—Cl− 의 다섯 배—을 수송할 수 있다. 이러한 유기 이온은 암상(dark state)에 결합하며, 무기 음이온 수송과 유사한 기전을 따라 광활성화에 의해 이동된다. 변이 분석은 두 계열의 기질이 공통 결합 부위를 공유함을 시사한다. pKa 값이 2 미만인 음이온만 수송되었는데, 이는 수송을 위한 선결 요건인, 암상에 결합하기 위해 음전하가 보존되어야 함을 의미한다. 본 연구는 미생물 로돕신의 알려진 기질 범위를 확장하고, 빛에 의해 구동되는 생리활성 유기 분자의 전달을 기반으로 한 광유전학적 전략에 대한 새로운 가능성을 제시한다.

2 미만의 값은 운반됨을 보여주며, 이는 결합에 음전하가 필수적임을 시사한다. 본 연구는 자연적으로 존재하는 단백질이 빛을 이용하여 막을 가로질러 유기 화합물을 운반할 수 있음을 뒷받침하는 최초의 증거를 제공한다. 이러한 결과는 미생물 로돕신의 기능적 범위를 확장하며, 빛에 의해 구동되는 유기 이온의 수송에 대한 새로운 가능성을 연다.

중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS‐CoV‐2)가 세계적 팬데믹 동안 지속적으로 진화함에 따라 진단 기술에 도전이 제기되고 있으며, 새로운 변이들에 대해 정확도와 효율을 향상시키기 위한 신속한 적응과 혁신의 긴급한 필요성이 강조된다. 본 연구는 LNPs(리피드 나노입자) 백신 기술의 발전을 활용하여 바이러스의 핵심 생화학적 및 유전적 특성을 모사하는 SARS‐CoV‐2의 합성 LNPs 모델을 제시한다. 이 리포좀 모델은 LNPs 내에 특성적인 SARS‐CoV‐2 mRNA 및 뉴클레오캡시드(N) 단백질을 포함하며, 나아가 외막에 스파이크(S) 단백질 유래체를 접합함으로써 바이러스의 구조를 밀접하게 재현하고 진단 검사에서 정확한 항원‐항체 반응을 유도한다. 또한, 상용 SARS‐CoV‐2 시약을 사용한 역전사‐정량 중합효소 연쇄반응(RT‐qPCR)으로 검증한 결과, 바이러스 RNA 증폭을 모사하는 데 효과가 확인되었다. 이는 새로 판매되는 진단 제품의 진단 효능을 평가하는 데 효율적인 도구로서 이를 확립한다. 이 LNPs 모델은 진단 개발에서 중요한 진전을 나타내며, 안전성과 확장성을 보장하면서 치료 및 백신 연구에 대한 잠재력을 제공한다.

우리는 mRNA의 시각화를 위한 CuAAC(Copper-Catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition) 반응 프로토콜을 제시한다. 이를 위해, 형광표지자 결합을 위한 핵심 요소인 EU(수정 뉴클레오시드 유사체)를 포함하도록 변형한 안정적인 mRNA 분자를 합성하였다. 이러한 변형 mRNA를 활용하여, 정교하게 설계한 CuAAC 과정에 따라 mRNA 상의 EU에 전(前)형광표지자(pro-fluorophore)인 쿠마린(coumarin)을 접합시키는 CuAAC 반응을 성공적으로 수행하였다. 이 혁신적 접근은 형광 방출을 유도하여 mRNA의 정확한 정량과 시각적 관찰을 모두 가능하게 하였다. 또한, CuAAC 반응 혼합물을 mRNA 전사 과정에 매끄럽게 통합함으로써, 동시적인 mRNA 합성과 시각화의 가능성을 입증하였다. 더 나아가, 본 새로운 방법론은 인공 세포 내에서의 mRNA 전사를 실시간으로 모니터링할 수 있는 가능성을 열어준다. 이러한 성과는 기초적인 세포 과정에 대한 이해를 확장하고, 향후 다양한 생물학적 맥락에서의 응용을 위한 데에 상당한 잠재력을 지닌다.

of 8 μM) 및 필요한 전하 잔기를 규명하였다. 형광 및 루시퍼레이스 리포터 시스템을 이용한 시험관 내(in vitro) 실험에서 ATP 결합 카세트(ABC) 수송체와 G. violaceus 전사 조절 인자(GvTcR)의 자기 조절(self-regulation)은 빛에 의해 조절되며, 실시간 중합효소 연쇄반응(real-time polymerase chain reaction)을 사용하여 G. violaceus에서 유전자 조절이 관찰되었다. 이러한 결과는 미생물 로돕신 기능의 자연적 잠재력과 한계에 대한 이해를 확장한다.

헬리오로돕신(HeRs)은 광범위한 기능을 가질 것으로 가설화되어 왔다. 최근 소수의 HeRs에 대해서는 그 기능이 밝혀졌으나, 가설적 기능은 여전히 대부분 알려지지 않았다. 본 연구에서는 Omithinimicrobium cerasi의 HeR인 Omithinimicrobium cerasi HeR 매개 방식으로, 이질이량체 다제내성 ATP 결합 카세트 수송체(OmrDE)의 빛 조절에 대해 조사하였다. 본 연구에서 HeR을 암호화하는 유전자 주변의 유전자들을 분류하고, 단백질-단백질 상호작용을 위한 고도로 보존된 잔기를 식별하였다. 그 결과, OcHeR과 OmrDE 간의 상호작용은 열역학적 파라미터를 통해 양(+)의 협동성을 보이며 순차적 결합을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 또한 빛에 의해 유도된 OcHeR은 OmrDE의 약물 수송을 상향조절한다. 따라서 결합은 약물이 포함된 서식지에서 생존하는 O. cerasi의 약물 내성에 중요할 수 있다. 종합하면, 본 연구는 다제내성에 대한 조절성 로돕신으로서 HeR의 기능을 밝혀낸다. 본 연구 결과는 옵토제네틱 기술에서의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.

광수용체는 다양한 생물에서 발견되는 빛에 민감한 단백질로서 빛에 반응하고 신호를 세포 내부로 전달한다. 망막 결합 막 단백질인 헬리오로돕신(Heliorhodopsin)은 최근에 발견되었으나 그 기능은 아직 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 동일한 오페론 내에서 Actinobacteria bacterium IMCC26103의 헬리오로돕신(AbHeR)과 인접한 글루타민 합성효소(AbGS) 사이의 연관성을 조사하였다. 우리는 AbHeR이 AbGS에 결합하며 AbGS의 활성을 조절함을 입증하였다. 구체적으로, AbHeR과 AbGS 간 결합의 해리상수(Kd) 값은 6.06 μM이었다. 또한 AbHeR의 세포내 루프(intracellular loop) 내 양전하를 띠는 아미노산 잔기의 부재는 AbGS의 핵심 결합 부위로 작용한다는 점에서 Kd 값에 영향을 미쳤다. 더 나아가 우리는 빛의 존재 하에서 시험관 내(in vitro) 및 생체 내(in vivo) 모두에서 AbHeR이 AbGS의 생합성 효소 활성을 상향 조절함을 확인하였다. GS(glutamine synthetase)는 질소 동화에 관여하는 핵심 효소로서, 글루탐산과 암모니아를 글루타민으로 전환시키는 반응을 촉매한다. 따라서 Actinobacteria bacterium IMCC26103이 영양이 낮은 환경에서도 생존할 수 있다는 점을 고려할 때, AbHeR과 AbGS 사이의 상호작용은 질소 동화에 있어 중요할 수 있다. 종합하면, 본 연구의 결과는 우리의 지식으로는 처음으로, 질소 동화에 필요한 효소 활성을 결합하고 조절할 수 있는 조절성 로돕신(regulatory rhodopsin)으로서 헬리오로돕신의 새로운 기능을 규명한다.