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김학성 교수, 세포 내 단백질 전달 효율 높이는 DNA 기반 나노구조체 개발
우리 대학 생명과학과 김학성 교수, 류이슬 박사 연구팀이 강원대 이중재 교수, 한국원자력연구원 강정애 박사와의 공동 연구를 통해 DNA를 기반으로 나노 구조체를 개발해 세포 속으로의 단백질 전달 효율을 높이는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘스몰(Small)’에 2018년 12월 28일일자 표지논문으로 게재됐다.
단백질 치료제는 저분자 화합물에 비해 반응 부위를 구별해내는 특이성이 우수해 차세대 의약품으로 활발히 개발되고 있다. 단백질 치료제가 탁월한 효과를 내기 위해서는 치료용 단백질이 세포 내로 효율적으로 전달되는 기술이 선행돼야 한다.
지금까지는 화학적 합성법 등으로 단백질 전달체를 제작해 왔지만 생체 독성, 낮은 전달 효율, 복잡한 제조공정과 효과가 일관적이지 않은 재현성 등이 해결돼야 할 과제로 남아있다.
연구팀은 생체 분자인 DNA를 기반으로 나노 구조체를 제작해 생체 친화적이면서 특정 세포로의 높은 전달 효율을 보였다. 특히 다양한 단백질을 전달할 수 있는 범용적인 기술로서 폐암 동물 모델에서도 항암 물질을 전달해 높은 항암 효과를 입증했다.
제조공정도 복잡하지 않다. 먼저 금 나노입자 표면에 DNA를 부착한다. 다음으로 징크 핑거를 이용해 각 DNA 가닥에 암세포를 표적하는 생체 분자와 항암 단백질을 결합해 제작했다.
DNA와 징크 핑거 간의 상호작용을 이용하므로 DNA 서열과 길이를 조절해 나노 구조체에 탑재되는 단백질의 양을 손쉽게 조절할 수 있다.
김학성 교수는 “생체 적합한 소재인 DNA와 단백질의 상호작용을 이용해 세포 내로 단백질을 효율적으로 전달하는 새로운 나노 구조체를 개발한 것이다”라며, “세포 내 단백질 치료제의 전달뿐 아니라 동반 진단용으로 광범위하게 활용될 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(글로벌연구실, 중견연구, 생애첫연구) 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. small 표지
그림2. 나노 구조체 제조 과정 모식도
그림3. 나노 구조체의 세포 내 단백질 전달 효과
그림4. 나노 구조체의 현미경 관찰 사진
2019.01.21 조회수 11807 -
김신현 교수, 달걀 속 살충제 성분, 현장 즉시 검출 기술 개발
〈 김신현 교수, 김동재 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀과 재료연구소(소장 이정환) 김동호 박사 공동 연구팀이 생체 시료에 들어있는 미량의 분자를 직접 검출할 수 있는 센서를 개발했다.
연구팀은 개발한 센서를 통해 다양한 종류의 살충제 성분을 검출하는데 성공했다. 특히 국내 및 유럽에서 문제가 됐던 달걀 속 살충제 성분인 피프로닐 술폰(Fipronil sulfone)을 시료 전처리 없이 검출할 수 있음을 증명했다.
연구팀의 센서는 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 내부에 금 나노입자 응집체를 캡슐화한 형태로 생체 시료 내에 존재하는 분자를 직접 분석해야 하는 광범위한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
김동재 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노분야의 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 10월 4일자 내부표지 논문으로 게재됐다.(논문명 : SERS-Active Charged Microgels for Size- and Charge-Selective Molecular Analysis of Complex Biological Samples, 생체 시료의 분자 크기 및 전하 선택적 분석을 위한 표면증강라만산란용 마이크로젤)
분자가 레이저에 노출되면 ‘분자 지문’이라고 불리는 고유의 라만(Raman) 신호를 보인다. 하지만 일반적으로 라만 신호의 세기는 매우 낮아 실질적인 분자 감지에 사용이 어렵다.
연구팀은 금속 나노구조의 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상이 강한 세기의 기장을 형성하는 점을 이용해 라만신호를 현저히 증가시켰다. 이를 표면증강라만산란 현상이라고 한다.
이 표면증강라만산란 현상에 의해 금속 나노구조 표면에 존재하는 분자의 라만신호는 크게 증가시킬 수 있지만 이를 일반적인 생체 시료에 직접 적용하는 것은 어렵다. 생체 시료에 존재하는 다양한 크기의 단백질들이 금속 표면에 비가역적으로 흡착해 실제 분석이 필요한 분자의 접근을 막기 때문이다.
일반적으로 사용되는 생체 시료 분석법은 대형 장비를 이용한 시료 전처리 과정이 필수이다. 하지만 이로 인해 시료의 신속한 현장 분석이 어려워 시간과 비용을 증가시킨다.
연구팀은 시료의 정제 과정 없이 분자를 직접 검출하기 위해 하이드로젤에 주목했다. 하이드로젤은 친수성(親水性) 나노 그물 구조를 이루고 있어 단백질처럼 크기가 큰 분자는 배제하고 작은 크기의 분자만을 내부로 확산시킨다. 또한 하이드로젤이 전하를 띠는 경우 반대 전하를 띠고 있는 분자를 선택적으로 흡착시켜 농축할 수 있다.
연구팀은 이러한 원리를 센서 구현에 적용시키기 위해 미세유체기술을 이용했다. 이를 통해 금 나노입자 응집체를 형성하는 동시에 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 안에 캡슐화 하는데 성공했다.
하이드로젤 미세 입자는 생체 시료에 도입돼 단백질로부터 금 나노입자 응집체를 보호하고, 동시에 반대 전하를 띠는 표적 분자를 응집체 표면에 선택적으로 농축시킨다. 이를 통해 표적 분자의 라만 신호는 단백질의 방해 없이 증대되며 시료의 전처리 과정 없이 빠르고 정확한 분자 검출이 가능해진다.
김신현 교수는 “새롭게 개발한 라만 센서는 식품 내 살충제 성분 검출 뿐 아니라 혈액과 소변, 땀 등 인체 속 시료에 들어있는 약물, 마약 성분 등 다양한 바이오마커의 직접 검출에도 사용 가능하다”고 말했다.
재료연구소 김동호 박사는 “시료 전처리가 필요없기 때문에 현장에서 시료의 직접 분석이 가능해 시간과 비용의 혁신적 절감이 가능해질 것이다”고 말했다.
이번 연구결과는 재료연구소의 기관 주요사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 글로벌연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. small 저널 내부표지
그림2. 시료 전처리 없이 분자 선택적 라만 분석이 가능한 하이드로젤 기반 라만 센서의 원리
그림3. 분자 전하 선택적 농축 및 배제를 보여주는 현미경 사진
2018.10.18 조회수 12299 -
김준 교수, 난치성 유전질환인 섬모병증 치료제 후보 발굴
〈 김준 교수, 김용준 박사과정 〉
우리 대학 의과학대학원 김준 교수가 연세대학교 생명공학과 권호정 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 난치성 유전질환인 섬모병증의 치료제 후보를 개발했다.
이번 연구 결과는 섬모병증 치료제 개발을 위한 기반이 될 것으로 기대되며 유사한 난치성 유전질환에 대한 저분자 화합물 약물 개발 플랫폼으로도 활용 가능할 것으로 예상된다.
김용준 박사과정이 1저자로 참여하고 정인지, 김성수, 정유주 연구원이 공동 저자로 참여한 이번 연구는 의, 과학 분야 국제 학술지 ‘저널 오브 클리니컬 인베스티게이션(Journal of Clinical Investigation)’ 7월 23일자 온라인 판에 게재됐다.(논문명 Eupatilin rescues ciliary transition zone defects to ameliorate ciliopathy-related phenotypes)
세포 소기관인 일차섬모는 배아가 발생하는 과정에서 세포 간 신호전달에 관여하고 망막 광수용체 세포가 기능하는 역할을 하는 등 인체에 중요한 기관이다.
섬모병증은 이러한 섬모의 형성에 필수적인 유전자들의 돌연변이로 인해 발생되며 소뇌발달 및 신장 이상, 망막 퇴행 등의 증상을 보인다.
현재 섬모병증을 치료하는 약물은 개발되지 않았다. 섬모병증 뿐 아니라 기능손실 유전자 돌연변이가 원인이 되는 대부분의 희귀유전질환은 유전자 치료를 제외하고는 치료 약물의 개발이 이뤄지지 않았다.
연구팀은 문제 해결을 위해 섬모병증 원인의 하나인 CEP290 유전자 돌연변이를 유전자 편집기법으로 모사한 세포를 구축한 뒤 화합물 라이브러리 스크리닝 기법을 통해 섬모병증에서 나타나는 섬모형성 부진 현상을 극복할 수 있는 천연 저분자 화합물을 발굴했다.
발굴된 화합물은 CEP290 단백질과 복합체를 이뤄 섬모형성과 기능에 관여하는 단백질(NPHP5)에 작용하는 것으로 밝혀졌다. CEP290 단백질이 유전자 돌연변이로 인해 만들어지지 않는 경우 NPHP5 단백질도 정상적으로 작용하지 못하는데 이 화합물은 NPHP5의 기능을 정상화시켜 복합체가 담당하던 기능의 일부를 회복함을 확인했다.
또한 연구팀은 발굴한 화합물을 섬모병증 증상을 갖는 동물 모델에 주입했고 망막 퇴행 현상을 지연시키는 효과를 입증했다.
1저자인 김용준 박사과정은 “이번 연구는 기능손실 유전자 돌연변이로 인해 발생하는 유전질환도 저분자 화합물 약물로 치료가 가능함을 규명했다는 의미를 갖는다”고 말했다.
김준 교수는 “발굴된 후보약물의 효과를 동물실험을 통해 확인했기 때문에 인체에서의 효과 또한 증명하는 후속 연구를 진행할 예정이다”고 말했다.
이번 연구는 보건복지부 희귀질환연구센터지원사업, 한국연구재단 바이오의료기술개발사업, 글로벌연구실 사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1.섬모형성 이상을 회복시키는 약물 발굴
그림2. 발굴된 약물에 의해 섬모병증 모델 생쥐의 망막퇴행이 지연되는 효과 확인
2018.07.30 조회수 12217 -
전상용 교수, 건선,아토피 치료용 펩타이드 개발
우리 대학 생명과학과 전상용 교수 연구팀이 피부 전달을 통해 건선을 치료할 수 있는 펩타이드 치료제를 개발했다.
연구팀은 수 년 전 발견한 펩타이드를 나노입자로 제작해 피부를 통해 전달함으로써 동물 모델에서 건선을 치료하는 데 성공했다.
김진용 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 나노분야 국제 학술지 ‘에이시에스 나노(ACS Nano)’ 6월 27일자 온라인 판에 게재됐다.(논문명 :Nanoparticle-Assisted Transcutaneous Delivery of a Signal Transducer and Activator of Transcription 3-Inhibiting Peptide Ameliorates Psoriasis-like Skin Inflammation)
건선은 대표적인 만성 염증성 피부질환으로 전 세계 성인의 약 3%가 앓고 있는 자가 면역질환 중 하나이다. 최근 건선의 원인에 STAT3라는 단백질이 핵심 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다.
연구팀은 수 년 전 STAT3라는 단백질의 기능을 저하시킬 수 있는 펩타이드를 최초로 발견해 항암 치료제로 개발한 바 있다. 그러나 건선 피부는 각질층이 매우 두껍기 때문에 피부를 통해 펩타이드를 투과시켜 표적 약물 치료를 하는 데에는 기술적인 한계가 존재했다.
연구팀은 이번 연구에서 길이가 서로 다른 두 개의 인지질과 STAT3 억제 펩타이드가 특정 조건에서 약 30나노미터 크기의 매우 작은 원반 모양의 나노입자를 안정적으로 형성함을 발견했다.
연구팀은 특수 지질성분으로 이뤄진 제형(劑形)을 통해 수십 나노미터 크기의 원판형 나노입자로 이뤄진 STAT3 억제용 펩타이드를 제조했다.
연구팀이 개발한 STAT3 억제 펩타이드는 건선 피부를 가진 동물 모델에 투여했을 때 뛰어난 항염증 효과를 보였고, 건선 발병의 핵심 요소인 각질세포의 과증식과 염증성 싸이토카인인 IL-17 등의 분비를 막는 역할을 했다.
연구팀은 의과학대학원 김필한 교수와의 공동 연구를 통해 펩타이드가 피부 속으로 얼마나 깊이 투과되는지 관찰했고, 이를 통해 나노입자가 각질층을 통과해 진피층 상부까지 전달됨을 확인했다.
전상용 교수는 “STAT3 억제 앱타이드가 난치성 염증성 피부질환인 건선에 대해 우수한 치료 효과를 보이는 바이오 신약 후보물질이 될 수 있음을 확인했다.”며 “효율적인 피부 전달이 가능한 시스템을 구축했다는 점에서 큰 의미가 있으며 향후 임상 적용이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 글로벌연구실사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 앱타이드-지질 나노복합체의 건선 유발 생쥐 귀 모델에서의 치료효능 평가
그림2. 앱타이드-지질 나노복합체의 건선 유발 생쥐모델에서의 피부투과 효능 평가
2018.07.17 조회수 15661 -
전상용 교수, 인체 담석형성반응 이용한 항암치료 시스템 개발
〈 전상용 교수, 이동윤 박사과정 〉
우리 대학 생명과학과 전상용 교수 연구팀이 인간 체내의 물질을 이용해 광학영상 진단 및 광열 치료가 가능한 항암시스템을 개발했다.
연구팀은 빌리루빈이라는 체내 물질과 그 빌리루빈으로 인해 발생하는 담석형성반응을 응용했다. 인체 내 강력한 항산화제인 빌리루빈의 담석 형성 과정에서 관찰되는 자체 금속 결합 기능과 신생아 황달 치료에 쓰이는 푸른빛에 반응하는 성질을 동시에 이용했다.
이를 통해 높은 생체 적합성과 우수한 광음향 진단 기능 및 광열 치료 효능을 보여 항암 치료 분야에서 적합한 치료 시스템이 될 것으로 기대된다.
이동윤 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 응용화학분야 저명학술지 앙케반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 9월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
전 교수 연구팀은 과거 연구에서 물과 화합하지 않는 소수성을 갖는 빌리루빈과, 그 반대로 초 친수성 고분자인 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 결합한 ‘페길화된 빌리루빈’ 기반의 나노입자 시스템을 개발한 경험이 있다.
이는 빌리루빈의 항산화 기능을 그대로 유지하면서 체내로 축적되지 않게 해 빌리루빈의 장점만을 취하는 기술이다. 이를 바탕으로 염증성 장 질환, 허혈/재관류, 췌도세포 이식, 천식 등의 동물 질병 모델에서 효능 및 안정성을 확인했다.
이번 연구에서는 앞선 연구의 접근 방식과 다르게 빌리루빈이 갖고 있는 다른 물리 화학적 성질을 이용해 항암 치료에 적용했다.
먼저 황달의 주요 원인체인 노란색 빌리루빈에 특정 파장대의 빛(푸른 빛)을 쬐어주면 이에 반응해 광이성질체(빛에 의해 모양이 변형된 물체)가 되고 배설이 활성화돼 신생아 황달 치료에 널리 쓰일 수 있는 광학물질인 점을 첫 번째 근거로 활용했다.
두 번째로는 인체 내의 쓸개관 혹은 쓸개 등에서 병이 생길 때 종종 발견할 수 있는 검은 색소 담석의 주성분 또한 빌리루빈이라는 점에 주목했다. 빌리루빈이 칼슘이나 구리 등 양이온과 중간 매개체 없이도 결합할 때 검은 색소 담석이 형성되는 점을 응용했다.
연구팀은 구리나 칼슘 대신 시스플라틴이라는 백금 금속 기반 항암제와 빌리루빈을 결합해 노란색의 빌리루빈을 보라색의 복합체로 변환시켰다.
이후 근적외선 파장대의 빛을 쬐었을 때 기존에 비해 크게 향상된 광감응성을 보였고, 실제 정맥 주사된 대장암 동물 모델에서도 종양 부분에서의 유의미한 광음향 신호 증가를 확인했다. 이 기술로 향후 더 향상된 종양 진단을 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 종양 부위에 근적외선 빛을 쬐었을 때 광열 효과에 의해 5분 내에 25℃ 이상의 온도 상승을 확인했고, 2주 후 다른 그룹에 비해 종양 크기의 감소 및 괴사를 확인했다.
전 교수는 “현재 개발된 물질들은 생체 적합성이 낮고 잠재적 생체 독성 가능성이 있는 인공소재 위주이기 때문에 임상으로 이어지는 데 한계가 있었다”며 “이번에 개발한 인체 유래 빌리루빈 기반의 광학물질은 광음향 영상 및 광열 치료의 전임상 중개연구 및 임상 적용에 새로운 플랫폼이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 글로벌연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 빌리루빈의 담석형성반응 및 광감응성을 이용한 본 연구의 모식도
그림2. 빌리루빈 나노입자 (왼쪽)와 시스플라틴이 결합된 빌리루빈 나노입자 (오른쪽) 수용액
2017.09.20 조회수 16401 -
최광욱, 홍성태 교수, DNA 정보를 안정적으로 보존하는 과정 규명
우리 대학 생명과학과 최광욱, 홍성태 교수 연구팀이 DNA 보관 염색체를 안정적으로 유지하는 역할을 하는 단백질을 발견하고 그 작동 과정을 밝혔다.
연구팀은 TCTP(Translationally controlled tumor protein) 단백질이 염색체 구조 및 유전정보를 안정적으로 유지시키는 필수 요소임을 규명했다.
이번 연구 성과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 9월 30일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Antagonistic roles of Drosophila Tctp and Brahma in chromatin remodeling and stabilizing repeated sequences).
인간의 생존에 필수적인 유전 정보는 DNA에 저장되고 이 DNA는 세포핵 안에 보존돼 있다. 이 세포 안에 저장된 DNA의 길이는 3미터에 이를 정도로 매우 길다.
이렇게 긴 길이의 DNA를 세포핵이라는 작은 공간에 보관하기 위해 생명체는 염색체라는 특별한 구조를 사용한다. DNA의 부피와 크기를 줄이기 위해 다양한 종류의 단백질을 이용해 DNA를 접어 최종적으로 염색체의 형태로 만든 후 세포핵 안에 보관하는 것이다.
따라서 염색체 구조를 안정적으로 유지하는 것은 생명체의 생존에 필수적인 유전정보를 담은 DNA를 안전하게 보존하는 것과 동일한 의미를 갖는다.
사람의 경우 염색체 구조가 불안정해지면 노화 촉진, 암과 치매 발병가능성이 높아진다. 실제로 난소암, 신장암, 간암, 췌장암 등에서 염색체의 구조를 조절하는 브라마(Brahma) 단백질의 기능이 비정상적으로 작동한다.
연구팀은 TCTP라고 불리는 단백질이 ‘염색체의 접힌 상태’ 유지에 필수적이며 이를 통해 유전 정보를 안정적으로 보호하는 것을 발견했다.
초파리 동물 모델 실험에서 TCTP 단백질이 염색체의 접힘 구조를 조절하는 브라마 단백질에 직접 결합한 후 브라마 단백질이 올바르게 작동하도록 돕는 역할을 하는 것을 확인했다.
또한 TCTP 단백질은 브라마 단백질과 함께 작용하는 역할 외에도 염색체의 접힘 상태 유지에 필요한 다른 단백질 생산과정에도 참여함을 추가로 입증했다.
이번 연구를 통해 일부 암이 브라마 단백질의 기능 이상에 의해 발생하는 현상의 원인을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대된다.
최 교수는 “지금까지 알려진 TCTP 기능들의 틀을 벗어난 새로운 결과이다”며 “유전체안정성 조절 및 암 연구 분야에서 TCTP의 중요성을 부각시키는데 기여할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구실지원사업, 중견연구자지원사업(도약연구) 및 이공분야 기초연구사업(대통령포스닥펠로우)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 정상세포(좌)에서 Tctp가 없는 부분은 DNA를 접힌 상태로 유지하지 못하는 현상(우)
그림2. TCTP 단백질이 염색체 구조를 안정적으로 보호하는 역할을 하는 과정을 나타낸 모식도
2016.10.13 조회수 9919