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간단하고 저렴한 유전자 진단 기술 개발
- “유전자 진단의 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있어”- 분석화학분야 세계적 학술지‘아날리스트’4월호 표지논문 선정
우리학교 박현규 생명화학공학과 교수가 전기화학적 활성을 가진 핵산 결합 분자인 메틸렌 블루(Methylene Blue)를 이용해 전기화학적 실시간 중합효소 연쇄 반응(Real-Time PCR) 기술을 개발했다.
현재 유전자 분석 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 Real-Time PCR(Polymerase Chain Reaction) 방법은 형광 신호를 이용하기 때문에 고가의 장비와 시약이 사용되는 분석 기술이다.
이에 반해 전기화학적 방법은 사용이 간편하고 가격이 저렴하며, 무엇보다 분석 장치를 소형화 할 수 있는 이점이 있다.
박 교수 연구팀은 산화/환원을 통해 전기화학적인 신호를 발생하는 물질인 메틸렌 블루가 핵산과 결합하면 전기화학적 신호가 감소하는 현상에 착안, 이를 PCR에 적용해 핵산의 증폭 과정을 전기화학적 신호를 통해 실시간으로 검출할 수 있는 전기화학적 Real-Time PCR을 구현하는 데 성공했다.
또한, 이 신호 변화 현상이 메틸렌 블루의 확산 계수와 관련된 것임을 규명해 향후 다양한 방법으로 응용될 수 있는 신호 발생을 기반으로 한 기술도 확립했다.
연구팀은 이를 기반으로 전극이 인쇄된 작은 칩을 제작해 성병 유발 병원균인 클라미디아 트라코마티스(Chlamydia trachomatis)의 유전자를 대상으로 연구를 수행했다.
그 결과 기존 형광 기반의 Real-Time PCR과 거의 동일한 성능을 보였다. 따라서 다양한 질병 진단을 비롯해 다양한 유전자 연구 분야에 적용할 수 있음을 입증했다.
박현규 교수는 “Real-Time PCR 기술이 현재 유전자 진단 분야에서 가장 확실한 분석 방법임에도 불구하고 형광 기반의 분석 방법이다 보니 고가의 검출 장비 및 분석 시약을 필요로 한다”며 “이번 연구 결과로 유전자 진단에 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있다”라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(이사장 오세정)이 시행하는 ‘중견연구자 지원 사업(도약연구)’으로 수행됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 분석화학 분야의 세계적인 학술지인 ‘아날리스트(The Analyst)’ 4월호(4월 21일자) 표지논문으로 선정됐다.(끝)
<그림설명>신호 분자 결합에 의한 전기화학적 Real-Time PCR 모식도 (아날리스트 표지)
<용어설명>○ Real-Time PCR (실시간 중합효소연쇄반응): 중합효소연쇄 반응을 통해 증폭되는 핵산을 실시간으로 모니터링을 하고 해석하는 기술
○ PCR: (Polymerase Chain Reaction, 중합효소 연쇄 반응): 현재 유전물질을 조작해 실험하는 거의 모든 과정에 사용되는 검사법으로, 검출을 원하는 특정 표적 유전물질을 증폭하는 방법이다. 1985년에 캐리 멀리스(Kary B. Mullis)에 의해 개발됐다.
○ Chlamydia Trachomatis: 클라미디아 트라코마티스(chlamydia trachomatis)라는 병원균에 의한 성병으로 성적 접촉으로 점염되어 비뇨생식계에 질병을 일으키는 감염증의 가장 흔한 원인균.
2011.04.21 조회수 16711 -
생명과학과 김진우 교수, 노인성 망막퇴행질환 발생 원인 발견
생명과학과 김진우 교수팀이 미국 및 캐나다 연구팀과의 공동연구로 "PTEN 단백질의 불활성화가 노인성 망막퇴행질환의 핵심 기전" 이라는 사실을 규명했다.
김 교수팀은 이 연구에서 그 동안 종양억제 유전자로 널리 알려져 있던 PTEN 단백질이 안구 내 망막색소상피세포* 사이의 결합을 유지시켜 망막조직의 형태 및 항상성 유지에 중요한 역할을 함으로써 망막퇴행질환을 억제한다는 사실을 생쥐 실험을 통해 증명하였다.
우리 인간을 포함한 동물의 안구 내에는 멜라닌 색소를 다량 함유하고 있는 망막색소상피세포층이 망막을 덮고 있는데, 이 층의 세포들은 강한 세포 간 접합체로 연결되어 안구 내에서 혈관과 망막 사이의 장벽을 제공해 준다.
그러나, 장기간 흡연이나 망막이 강한 빛에 장시간 노출되는 등의 스트레스 상황에서는 망막색소상피세포층이 점차 파괴되고, 그 결과 이 세포층에 생긴 틈으로 망막 외부 모세혈관에 있던 백혈구 세포들이 망막으로 침투하면서 망막세포에 염증반응을 일으켜 망막퇴행을 유발한다.
이러한 현상은 많은 망막퇴행질환들에서 관찰이 되는데, 특히 노령 인구에서 높은 빈도로 일어나는 노인성 황반퇴행질환 (Age-related macular degeneration)*에서 빈번하게 나타나는 현상으로 잘 알려져 있다.
김 교수팀은 망막색소상피세포 간 접합부에 집중되어 나타나는 PTEN 단백질의 기능을 검증하기 위해 PTEN 유전자를 인위적으로 생쥐의 망막색소상피세포에서 제거하였고, 그 결과 이 생쥐들에서 노인성 황반퇴행에서 나타나는 형태적 특징을 관찰할 수 있었다.
연구팀은 더 나아가 기존 노인성 황반퇴행질환 생쥐의 망막색소상피세포에서 인산화에 의한 불활성화를 통해 PTEN 단백질이 세포 간 접합체에서 이탈된다는 사실까지 밝힘으로써, PTEN 단백질이 망막색소상피세포의 구조 유지를 통해 망막퇴행을 억제하는 핵심 단백질이라는 사실을 규명하였다.
노인성 황반퇴행질환은 미국 내에만 2006년 통계로 100 만명 이상의 환자가 보고되었고, 국내에서도 최근 급격한 노령화에 따라 환자 수가 급증하고 있는 노인성 망막퇴행질환으로, 시력 상실로도 이어질 수 있는 심각한 신경 질환이다.
노인성 황반퇴행질환은 약 15% 정도는 망막 내 신생혈관의 급격한 형성으로 발생하는 습성 (wet-type)이고, 약 85% 이상은 망막색소상피세포의 이상 등으로 시작해 만성으로 진행되는 건성 (dry-type)으로 분류된다.
심각한 병증과 많은 환자 수에도 불구하고, 그 동안 건성 황반퇴행질환 치료제 개발이 진척을 보이지 못한 이유 중의 하나는 이 질환이 시작되는 망막색소상피세포의 퇴행에 대한 분자적 기전이 정확히 알려지지 않아 치료제의 타겟이 될 세포 내 현상 및 단백질들을 설정하는데 어려움이 있었다는 것이다.
이번 논문의 교신 저자인 김 교수는 “이번 논문을 통해 알려진 망막색소상피세포 퇴행 억제 핵심 단백질인 PTEN과 그 영향을 받는 하부 신호전달체계의 정체는 향후 노인성 황반퇴행질환의 치료제 개발을 위한 타겟을 설정하는데도 유용한 정보로 사용될 수 있다”고 말했다.
김진우 교수팀의 이번 연구는 교육과학기술부가 지원하는 바이오기술개발사업의 일환으로 수행되었고, 연구 결과는 세계적인 저명학술지인 ‘유전자와 발생’(Genes & Development) 11월 15일판에 게재되었다.
2008.11.18 조회수 17831 -
이도헌교수팀, 생물정보학적 연구를 통한 천식 발병 후보 유전자 발견
바이오및뇌공학과 이도헌 교수와 박사과정 황소현씨가 생물정보학 기법을 이용해 기존의 분자생물학적 연구 및 실험 결과에 나타난 천식 관련 단백질들의 상호작용을 분석, 천식 유발에 관여하는 후보 유전자군을 발굴했다.
이 연구결과는 국제학술지 "이론생물학저널(Journal of Theoretical Biology)"에 발표됐으며 기존 연구자료를 새로운 생물정보학 기법으로 분석해 신약 표적유전자를 발굴한 것이어서 신약연구 효율성 향상에 기여할 것으로 전망된다.
연구진은 세계 각국의 분자생물학적 연구자료가 담겨 있는 데이터베이스(OMIM, GEO)에서 천식과 관련 있는 단백질 606개를 찾아내고 이를 시스템 수준에서 연구하기 위해 생물정보학 기술을 이용해 단백질 상호작용 네트워크를 구성했다.
이는 단백질 사이의 상호작용을 연결선으로 표현한 것으로 여러 개의 단백질과 동시에 상호작용을 하는 단백질이 천식유발 단백질 네트워크에서 중요한 역할을 하는 "허브"로 간주된다.
질병과 관련된 질병유전자를 찾기 위해서 기존의 분자생물학적 연구를 통해 몇 가지 유전자들이 밝혀졌지만, 여러 가지 유전적인 요인과 환경적인 요인의 복합적인 작용으로 인해 나타나는 대부분의 복합 질병의 경우는 기존의 분자생물학적인 연구만으로 관련 유전자들을 찾아내기가 어렵다.
이도헌 교수는 "이런 복합적인 질병에서 중요한 역할을 하는 유전자를 찾아내려면 한 두 유전자와 질병의 관계를 조사하기 보다는 그 질병과 관련된 여러 유전자들의 연관성을 살펴보는 시스템 수준의 연구가 필요하다"고 말했다.
2008.07.01 조회수 19396 -
시스템 생명공학 활용, 최고 수율의 아미노산 생산 균주 개발
- 세계 아미노산 시장, 화이트 바이오텍 제품 생산에 파급 효과 큰 원천 기술
- KAIST 이상엽 교수팀 개발, 미국 국립과학원회보 온라인판 게재KAIST(총장 서남표) 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 43세, 특훈교수/LG화학 석좌교수) 교수팀은 시스템 생명공학 기법을 이용, 세계 최고 수율(收率)의 발린(L-valine) 생산 균주 개발에 성공했다. 이 연구 결과는 4월 넷째주(23일-27일사이) 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA)에 게재된다.
李 교수팀은 필수 아미노산의 하나인 발린(L-valine)을 타켓 물질로 선정, 미생물 가상세포 시스템과 시뮬레이션 기법을 활용하여 최고 수율의 아미노산 생산 균주를 개발했다.
대장균 게놈에서 필요한 부위만을 선택적으로 조작하여 초기 생산 균주를 제작하고, DNA 칩을 이용한 전사체(transcriptome) 분석을 통해 새롭게 조작할 1차 타겟 유전자들을 발굴했다. 대장균 가상 세포인 MBEL979를 이용, 유전자 결실(缺失) 실험을 컴퓨터상에서 대량으로 수행한 뒤 2차 엔지니어링 타겟들을 발굴했다. 이 실험 결과를 실제 균주 개발에 적용, 세포내 대사흐름 최적화를 달성하여 최종적으로 100 그램의 포도당으로부터 37.8 그램의 발린을 추출할 수 있는 세계 최고 수율의 발린 생산균주 제작에 성공했다.
이상엽 교수는 “시스템 생명공학 기법이 체계적인 시스템 수준에서 균주개발에 성공적으로 이용됨에 따라, 기타 아미노산을 비롯하여 모든 생물공학산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 초기에는 IT와 BT를 융합함에 있어 어려움이 많았으나 이를 슬기롭게 극복한 연구팀원들이 자랑스럽다.”고 말했다. 연구 관련 생산균주와 그 제조 방법은 국제특허(PCT)를 출원했다.
2007.04.24 조회수 21247 -
뇌신경 보호유전자 세계 첫 발견
KAIST 생명과학과 김재섭 교수(43세)팀은 지나친 자극으로부터 신경세포를 보호하는 유전자를 세계 최초로 발견하고, 이 유전자를 열병을 뜻하는 파이렉시아(Pyrexia)라고 명명했다.
이 유전자는 채널 단백질을 만들며, 이 채널은 섭씨 39도 이상의 고온에 의해 작동된다. 특히 이제까지 온도에 의해 작동되는 채널 단백질들은 여러 종류 발견되었으나, 자극으로부터 신경을 보호하는 채널은 파이렉시아가 처음이다. 이 유전자는 신경세포가 고온에 대해 과민하게 흥분하여 스트레스성 반응을 보이고 이로 인해 기능이 손상되는 것을 방지한다.
또한 이 유전자의 기능이 약화되면 섭씨 40도 고온에서 수분 내에 신경기능이 마비되지만, 이 유전자의 기능이 강화되면 이러한 고온에서도 신경세포의 기능이 손상되지 않고 정상적으로 작동한다.
KAIST 김재섭 교수는 "파이렉시아 채널을 인위적으로 작동시키는 약(화합물)을 개발할 경우, 상습적 마약 복용 등으로 신경이 과도하게 자극되어 뇌기능이 손상되는 것을 방지할 수 있는 획기적인 길이 열릴 것이다"라고 말하면서 "이번 연구 결과는 독감을 비롯한 각종 열병에 의해 의식을 잃거나 뇌기능이 영구하게 손상되는 것도 방지할 수 있는 길을 열었다"며 그 의미를 밝혔다.
한편, 이 연구 결과는 미국에 국제특허 출원되었으며, 세계 최고의 유전학 및 인간질병 유전자 권위지인 네이처 제네틱스 (Nature Genetics) 3월호에 논문으로 계제될 예정이다. 또한 네이처 제네틱스는 이 발견의 중요성을 감안하여 이 논문을 1월 31일자로 인터넷 (http://www.nature.com/ng/)에 먼저 공개했다.
이 유전자는 KAIST 생명과학과와 제넥셀(주)가 공동으로 2003년에 완성한 세계 최초의 형질전환초파리 게놈검색시스템을 활용하여 발굴되었으며, KAIST 생명과학과와 제넥셀(주)는 "형질전환초파리 게놈검색시스템"을 활용하여 파이렉시아 이외에도 여러 종류의 인간질병 및 신경관련 유전자를 발굴하여 연구에 박차를 가하고 있다.
2005.01.31 조회수 21193 -
김종환교수, 유전자·염색체 갖는 로봇, 세계 최초 개발
KAIST 김종환(전자전산학과)교수가 유전자와 염색체를 갖는 인공생명체로서의 로봇을 세계 최초로 개발했다. KAIST ITRC-지능로봇연구센터 소장인 김종환 교수는 지난해 5월 개발해 공개했던 유비쿼터스 로봇(유비봇)인 `리티"(Rity)에 14개의 인공 염색체를 각각 부여한 결과, 제 각각의 ` 성격"(personality)을 갖는 것을 확인했다고 최근 밝혔다.
로봇 염색체란 생각하고 느끼고 추론하고 욕구와 의지를 표현할 수 있는 로봇을 만들기 위해 컴퓨터로 처리된 일련의 지시체계(소프트웨어 프로그램)다. 각각의 염색체를 부여 받은 리티들은 같은 환경에서 어떤 자극을 주었을 때 어떤 것은 지루해했지만 다른 것들은 주인을 알아보고 펄떡거리면서 `기쁨"을 표현하는 다른 반응을 보였다.
왜냐하면 그들은 각기 다른 개성을 가지고 있고 그 개성은 전적으로 자신의 유전자에 좌우되기 때문이다. 리티는 김교수가 CCD 디지털카메라를 통해 실제 물리적 공간에 있는 인간과 상호 작용이 가능하도록 만든 강아지 모양의 3D 가상(컴퓨터 가상세계 안에서 살고 있는)소봇(Sobot). 소봇이란 네트워크를 통해 이동하며 언제 어디서든지 접속할 수 있고 자율적인 상황 인식과 사용자와 끊임없는 상호 작용이 가능한 소프트웨어로만 구성된 로봇을 말한다.
리티의 가상 환경은 3가지 물체와 주인 1명의 얼굴, 빛과 소리, 온도 센서, 접촉 센서, 시각 센서, 자이로 센서, 내부 타이머를 가지고 있고 이를 바탕으로 47가지의 자극 정보를 인식할 수 있다. 특히 행동 기반 및 학습 능력을 갖춘 인공 생명체로서 77가지 행동을 나타낼 수 있다.
김 교수는 지난해 12월 뉴질랜드에서 열린 `제2회 자율 로봇 및 에이전트에 관한 국제학회"(ICARA)의 기조강연(Keynote Speech)에서 이 같이 로봇의 `성격" 을 결정하는 14개의 인공 염색체에 대해 발표했고 현지 언론이 이를 크게 보도했다고 센터측은 밝혔다.
또 캐나다 9개 유력 일간지들도 지난 19일자로 1면 등 주요 면에 이 소식을 일제히 실었다. 센터측은 이 신문들이 `인공생명체 유전자 코드 발명- 인간처럼 말하고 느낄 수 있는 로봇이 곧 나타날 것", `인공생명체의 기원, 한국의 발명가, 생각하고 느끼고 복제까지 할 수 있는 유전자를 가진 로봇창조 가능성 제기"와 같은 제목으로 크게 보도했다고 소개했다.
KAIST ITRC-지능로봇연구센터 관계자는 "김교수의 이런 연구는 그동안 많은 로봇 연구자들이 로봇의 지능을 높이고 어떻게 인간처럼 움직일 수 있게 하는데만 주력해온 것과 달리 찰스 다윈의 `종의 기원"과 같이 인공생명체로서의 로봇 종의 기원(시작)에 관한 것이어서 국내외 학계에 신선한 충격을 주고 있다"고 말했다.
그는 이어 "현재 리티는 단지 14개의 염색체를 약 2천 바이트의 데이터로 가지고 있지만 미래의 종들에게는 복잡한 유전적 특성과 더 많은 염색체가 부여될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
2005.01.31 조회수 21171