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외부자극에 의한 세포 내 단백질 섬유구조체 형성 연구; pH, 이온, 전기장 효과 : Manipulation of Cellular Fibril Formation under External Stimuli; Effect of pH, ions and Electric Field

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초록/요약 도움말

본 논문은 세포의 자가조립 단백질 섬유구조체인 콜라겐과 액틴을 이용하여 pH와 이온, 전기장 같은 외부 자극에 의해 자가조립 구조체를 형성하고 이를 제어하기 위하여 수행한 연구를 기술한 것이다. 오늘날 많은 사람들이 세포에서 일어나는 반응에 대해 궁금해하며 이를 실험실 내에서 모사하기를 열망한다. 실제 우리가 궁금해하는 대부분의 생물학적 반응들은 세포 내부 혹은 세포와 인접한 공간에서 일어나기 때문에 이러한 과정을 보다 면밀하게 이해하기 위해서 요구되는 실험 또한 세포와 유사한 환경에서 수행되어야 한다. 본 연구에서는 실제 세포 같은 환경을 구성하기 위하여 인공세포막으로 역할을 하는 인지질 베지클과 세포 내 단백질 섬유구조체를 이용하여 실험을 수행하였다. 본 연구는 다루는 물질에 따라 콜라겐과 액틴 단백질 섬유구조체를 대상으로 구성되었다. 액틴은 세포 내부에 존재하는 세포골격의 대표적인 세 가지 구성요소 중 하나이다. 인지질 베지클 내에서 액틴 섬유구조체의 성장을 다룬 연구들이 현재까지 활발히 진행되고 있는 까닭은 세포를 모사하기 위한 모델로서 활용하기 위함이다. 본 연구에서는 결합 단백질 없이 액틴 섬유구조체를 형성시키는 일반적인 방법들을 이용하여 이온으로 액틴의 상태변화를 제어하였다. 이를 기반으로 세포 내부와 유사한 인지질막으로 제한된 환경에서 액틴 섬유구조체의 상태변화를 유도하여 그 변화를 관찰하였다. 이는 액틴과 인지질 사이의 상호작용 여부를 제시하였으며 이와 같은 결과는 보다 면밀한 분석을 통하여 실제 세포 내에서 액틴 섬유구조체의 자가조립 과정을 이해하는데 큰 역할을 수행할 것이라 기대된다. 또 다른 세포 단백질 섬유구조체인 콜라겐은 세포 바깥쪽 세포 사이에 존재하며 우리몸의 전체 단백질의 약 1/3을 차지하는 가장 풍부한 단백질이다. 여태까지 겔이나 박막 형태로 콜라겐 섬유구조체를 형성시키는 연구가 주로 수행되어온 이유는 세포와 조직의 결합과 저항성에 중요한 역할을 하는 콜라겐의 기능적 면모를 모사하고 그 영향을 보다 자세하게 관찰하기 위함이다. 본 연구에서는 기존에 평면적인 기반 하에 수행되었던 콜라겐 섬유구조체 자가조립의 한계를 넘어, 지질 베지클을 이용하여 구형을 이루는 삼차원적인 지질 이중막 표면에서 콜라겐 섬유구조체의 형성을 수행하였다. 또한 전기장을 이용하여 극도로 얇고 균일한 두께를 가지는 콜라겐 원섬유 구조체 상태를 제어하였다. 이와 같은 연구결과는 콜라겐 섬유구조체 자가조립 개시상태를 기점으로 하여 두꺼운 콜라겐 섬유구조체가 되기 까지 제어에 용이한 기반이 될 것이며, 삼차원적인 기반에서 수행되는 연구에 적용되어 보다 실제 세포와 유사한 환경을 만드는데 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 본 연구는 실제 세포와 유사한 환경을 만드는 것을 목적으로 하며, 더 나아가 x-선 이미징 분석을 통한다면 어떻게 콜라겐과 액틴의 구조 및 네트워크가 세포막 표면과 인접하여 형성되고 역할을 하는지 그 과정을 면밀하게 관찰 할 수 있는 기회를 제공할 것이다.

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초록/요약 도움말

This thesis focus on self-assembled cellular protein such as collagen and actin, which are formed by external stimuli as pH, ion and electric field. These days there are lots of wants to know what is going on a living cell and to reproduce reactions which happened inside the cell in vitro. In the cause of this inquiry, the research for apprehending these kind of biological reactions should be executed in the cell-like condition because most of these actual reactions occur in the inner parts and contiguous space of cells. In this study, we choose lipid vesicles and cellular fibrils as artificial cell membrane and fabric respectively in order to form a part of cell-like environment. This study has two parts according to handling materials, collagen and actin. Actin is one of the three major components of cytoskeleton which constitute inside the cell. The reason researches treating about actin growth inside vesicles have actively been in progress is that it should be an artificial cell model by practical applying. In this study, we want to make and control different phases of actin by utilizing general ion methods to form actin filaments without any binding proteins. With this foundation, we derive actin polymerization reactions in confined environment of lipid bilayer which is similar condition of a living cell. The results of this study suggest that there is interaction between lipid and actin. It could play an important part in a full understanding of actin assembly process inside the cell. Collagen, as another fibrous structure, is most abundant protein which compose 25-30 % of the whole protein components. Experimented collagen gels and thin films in large numbers walking ahead are usually performed for identifying function of collagen which affect tissue connection and cell resistance. These are usually made on 2D substrate that is quite different from our body condition. In this study, we have accomplished collagen structure on the surface of lipid vesicles providing us with 3D substrate and it could be much more worthwhile study to assembly collagen on the 3D lipid surface than existing face of 2D. Moreover, we have developed extremely thin fibrils having uniformly distributed diameters under electric field control. These results could establish a constituency of managing the collagen assembly system from the initial state of fibrils, undoubtedly of constructing collagen structure on the surface of lipid vesicle itself under electric field effect. This thesis is of consequence to make resembling living cells in conditions. Furthermore, by using x-ray imaging tools, it could show the way how collagen and actin make structures and form network in detail.

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