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박사과정 4명, 학술지에 초청 논문 게재
〈 이상엽 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 네 명의 박사과정 학생들(지도 : 이상엽 특훈교수)이 시스템대사공학(Systems metabolic engineering) 전략을 주제로 초청 리뷰논문을 게재했다.
이상엽 교수의 지도 아래 최경록, 신재호, 조재성, 양동수 네 명의 학생이 주도한 이번 논문은 미생물 분야 학술지 ‘에코살 플러스(EcoSal Plus)’ 10일자 온라인 판에 게재됐다.
이번 논문은 학술 및 산업적으로 널리 연구되고 활용되는 대장균의 시스템대사공학 연구 전략을 총망라했다. 시스템대사공학은 이상엽 특훈교수가 창시한 과학기술 분야로 기존 대사공학에 시스템생물학, 합성생물학, 진화공학 등을 융합한 학문이다.
이번 리뷰 논문에서는 ▲시스템대사공학에서 활용하는 다양한 실험 기법 ▲시스템대사공학 연구 전략 ▲시스템대사공학 전략을 적용해 대량생산 및 산업화에 성공한 바이오리파이너리 사례를 다룬다.
대사공학은 미생물의 대사 흐름을 조절해 화합물을 생산할 수 있는 세포 공장 구축을 목표로 한다. 바이오매스 등 재생 가능한 탄소원을 먹이로 삼아 미생물을 배양해, 다양한 산업 및 의약 물질을 생산하는 바이오리파이너리 분야의 핵심 요소로 평가받는다.
특히 기존 대사공학에 시스템대사공학 전략을 적용하면 물질을 대량생산할 수 있는 고성능 균주를 효과적으로 구축할 수 있어 비용 절감을 기대할 수 있다.
또한 균주가 대규모 바이오리파이너리 공정에 적합하도록 지속적으로 최적화하는 과정도 포함돼 미래에는 석유화학 산업을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
에코살 플러스는 두 번에 걸쳐 출판된 ‘대장균과 살모넬라(Escherichia coli and Salmonella: Cellular and Molecular Biology)’ 책자를 전신으로 하는 온라인 리뷰 학술지이다.
생물학 연구에서 중요한 대장균 등의 미생물에 관련한 유전, 생화한, 대사 등 모든 분야를 다뤄 생물학 전반 연구의 주요 지침서로 알려져 있다.
이 교수는 “이번 초청 리뷰는 최경록, 신재호, 조재성, 양동수 네 명의 박사과정 학생들이 세계적 수준의 전략 제시 능력을 갖췄음을 증명한 것이다”며 “생명공학분의 바이블로 불리는 에코살 플러스에 논문을 게재한 학생들이 매우 자랑스럽다”고 말했다.
2016.03.30 조회수 12168 -
이상엽 교수, 미생물로부터 친환경 바이오플라스틱 생산기술 개발
〈 이 상 엽 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 세계 최초로 미생물을 이용해 대표적 의료용 고분자인 폴리락테이트-co-글라이클레이트(poly(lactate-co-glycolate), PLGA)를 생산해냈다고 밝혔다.
이번 연구는 생명공학 분야의 최고 권위지인 '네이처 바이오테크놀로지(Nature Bio-technology) 온라인 판에 8일 게재되었다.
기존 폴리락테이트-co-글라이콜레이트의 화학적 생산 공정은 여러 단계의 화학적 전환, 정제 등 복잡한 공정이 필요해 비효율적이었을 뿐만 아니라 유독성 금속 촉매가 사용되어 친환경적이지 못한 단점을 가지고 있었다.
폐목재, 볏짚 등 재생가능한 자원인 바이오매스를 기반으로 폴리락테이트-co-글라이콜레이트를 생산하는 미생물(균주)을 개발하여, 기존 화학공정 대비 친환경적이면서 단순화된 공정이 가능해졌다.
또한 이번 연구에서 개발한 폴리락테이트-co-글라이콜레이트 생산 균주를 기반으로 한 응용 기술로 다양한 목적성 고분자* 생산이 가능해져 신규 바이오플라스틱 생산에 새로운 지평을 열었다.
이번 연구 결과는 자원고갈, 기후변화 등의 문제를 안고 있는 기존 석유 의존형 화학산업을 재생가능한 자원을 통해 지속성장이 가능한 바이오 의존형 화학산업으로 바꾸기 위한 바이오 리파이너리 분야의 의미있는 성과이다.
이상엽 교수는 “이번 연구는 의료용 고분자의 대표적 물질인 폴리락테이트-co-글라이콜레이트를 만드는 미생물을 개발한 세계 최초의 연구“라며 “인공고분자를 생물학적 방법으로 생산할 수 있는 시스템을 구축했다는 점에서 큰 의미를 가진다.”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 대사공학적으로 개량된 대장균이 바이오매스로부터 PLGA 및 다양한 PLGA 공중합체를 생산하는 전체 개념도
2016.03.08 조회수 11380 -
아·태 바이오텍뉴스誌, 한국의 생명공학 특집호 발간
〈 이 상 엽 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 편집을 맡은 ‘아시아태평양 바이오텍뉴스(Asia Pacific Biotech News)지 - 한국의 생명공학(Biotechnology in Korea) 특집호’가 발간됐다.
‘아시아태평양 바이오텍뉴스’ 지는 싱가포르 월드사이언티픽(World Scientific)사가 발간하는 잡지로, 이번 특집호에는 미래창조과학부에서 추진 중인 글로벌프론티어 사업과 기후변화대응기술 개발 사업 등 바이오관련 사업 5가지가 소개됐다.
특집호는 ▲미래창조과학부 원천기술과의 글로벌프론티어 사업 중 미세조류를 이용한 바이오연료와 바이오제품 연구를 수행하는 차세대바이오매스사업단(KAIST 장용근 단장), ▲융합적 연구전략으로 신약 타겟과 개발을 주도하는 의약바이오 컨버전스사업단(서울대 김성훈 단장), ▲ICT와 나노기술을 바이오에 융합해 유해균, 바이러스, 유해물질 등의 신속 정확한 진단 기술을 개발하는 바이오나노 헬스카드사업단(한국생명과학연구원 정봉현 단장)의 연구성과와 전략들이 소개됐다.
또한 ▲미래창조과학부 생명기술과에서 추진 중인 바이오시너지사업단(KAIST 이도헌 단장)이 소개됐다.
이는 수많은 천연물과 인체 내 생물분자들과의 시스템생물학적 상호작용을 분석해 다중표적, 다중물질 기반의 새 치료제를 개발하는 사업단이다. 동의보감 등 선조들의 지혜가 담긴 다중성분 약제를 체계적으로 분석해 현대 의학에서의 의미를 분석 및 부여한다.
마지막으로 ▲기후변화대응 기술 개발 사업 중 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 연구단(이상엽 단장)이 소개됐다.
시스템대사공학은 화석연료 대신 지속가능한 바이오매스를 이용해 바이오에탄올 등의 화학물질을 만드는 바이오리파이너리 기술의 핵심이다.
연구단은 엔지니어링 플라스틱 원료나 가솔린 등을 생산하는 미생물, 부탄올 및 숙신산을 세계 최고효율로 생산하는 미생물 등을 개발했다.
미래창조과학부 백일섭 원천기술과장은 “새해를 맞이해 아시아태평양 바이오텍뉴스지에서 한국의 생명공학 특집호를 발간한 것은 우리 생명공학기술을 높이 평가하고 있다는 의미를 갖는다”고 말했다.
이상엽 특훈교수는 “지난 2002년, 2006년, 2011년에도 동일 저널에 한국의 바이오텍 특집호를 발간한 바 있다”며 “우리의 건강을 지켜주고 환경문제에 대응하는 생명과학기술을 소개하는 특집호에 한국의 기술들이 소개돼 기쁘다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 아시아태평양 바이오텍뉴스(Asia Pacific Biotech News)지 - 한국의 생명공학 특집호 표지
2016.02.02 조회수 9590 -
바이오부탄올 핵심생산효소 구조 및 특성 규명
이 상 엽 특훈교수
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 경북대학교 김경진 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 친환경 차세대 에너지인 바이오부탄올의 핵심 생산 효소인 싸이올레이즈(Thiolase)의 구조 및 특성을 규명했다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
바이오부탄올은 바이오연료로 이미 사용되고 있는 바이오에탄올을 능가할 수 있는 친환경 차세대 수송용 바이오연료로 각광받고 있다.
바이오부탄올의 에너지 밀도는 리터당 29.2MJ(메가줄)로 바이오에탄올(19.6MJ)보다 48% 이상 높고 휘발유(32MJ)와 큰 차이가 없다. 또한 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수, 해조류 등 비식용 바이오매스에서 추출하기 때문에 식량파동 등에서도 자유롭다.
바이오부탄올의 가장 큰 장점은 휘발유와 비교했을 때 공기연료비, 기화열, 옥탄가 등 연료 성능이 비슷해 현재 자동차 등에 사용되고 있는 가솔린 엔진을 그대로 사용할 수 있다는 점이다.
바이오부탄올은 클로스트리듐이라는 미생물로부터 생산이 가능하지만 클로스트리듐의 주요 효소의 구조 및 기작 등에 대한 연구는 체계적으로 이뤄지지 못했다.
이 교수 연구팀은 이 미생물의 성능 향상을 위해 바이오부탄올 생합성에 필요한 주요 효소 중 하나인 싸이올레이즈의 3차원 입체구조를 포항방사광가속기를 이용해 규명했다.
이를 통해 일반적인 미생물의 효소에서는 발견되지 않고 클로스트리듐 내의 싸이올레이즈에서만 관찰되는 산화-환원 스위치 구조를 발견했다.
또한 가상세포모델 등을 활용한 시스템대사공학 기법을 활용해 이 싸이올레이즈가 실제 미생물 내에서 산화-환원의 스위치로 작동한다는 것을 증명했다.
연구팀은 밝혀낸 싸이올레이즈 구조의 원천기술을 활용해 활성이 향상된 돌연변이 효소를 설계했다. 그리고 이를 이용해 바이오부탄올 생산 미생물의 대사회로를 조작해 바이오부탄올 생합성이 향상되는 결과를 얻었다.
이상엽 교수는 “바이오부탄올 생합성 대사회로에서 가장 중요한 효소의 구조와 작용 기작을 세계 최초로 밝혔다”며 “싸이올레이즈 관련 원천기술을 활용해 바이오부탄올을 더욱 경제적으로 생산할 수 있는 대사회로 구축에 응용하겠다”고 말했다.
김상우, 장유신, 하성철 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업 및 글로벌프런티어 차세대바이오매스사업단 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 바이오부탄올 생산 효소(thiolase)의 구조 및 산화-환원 스위치 작용기작
그림 2. 바이오부탄올 생산을 위한 포도당 대사회로에서 바이오부탄올 생산 효소(thiolase)의 산화-환원 스위치 작용기작
2015.09.22 조회수 14411 -
이상엽 교수, 네이처 바이오테크놀로지 초청논문 게재
“바이오플라스틱 상용화 시대 도래”
네이처 바이오테크놀로지 10월호 초청논문에서 전문가로서의 의견 밝혀..
독일의 훔볼트 베를린대 프리드리히 교수와 뮌스터대학의 스타인뷔헬 교수팀은 바이오플라스틱 생산의 대표 미생물인 랄스토니아 유트로파 (Ralstonia eutropha)균의 전체 게놈서열을 밝히고, 네이처 바이오테크놀로지 10월호에 논문을 발표했다. 플라스틱 생산 대표 미생물의 전체 게놈 서열이 밝혀짐에 따라 보다 체계적인 시스템 수준에서의 균주개량을 통해 바이오플라스틱의 효율적인 생산이 가능해 질 것으로 예측된다.
네이처 바이오테크놀로지社는 이 논문에 대해 해당분야의 세계적 전문가인 KAIST 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 42세) LG화학 석좌교수에게 게놈 서열 해독에 따른 앞으로의 바이오플라스틱 생산에 관한 전문가 분석논문을 의뢰했으며, 李 교수는 지난 10일 발간된 네이처 바이오테크놀로지 10월호 ‘뉴스와 전망(News and Views)’에서 “랄스토니아균의 게놈 해독은 다양한 오믹스와 가상세포를 통한 시뮬레이션, 그리고 게놈 수준에서의 엔지니어링을 결합하여 시스템 수준에서 균주를 개량할 수 있는 토대가 마련되었음을 의미한다”라며, “앞으로 플라스틱을 구성하는 물질을 자유자재로 바꿔 우리가 원하는 물성을 가진 플라스틱의 생산이 가능할 것이며, 대사 흐름의 최적화를 통해 이제까지 보고된 것보다도 훨씬 효율적이고 경제적인 바이오플라스틱의 생산이 가능해 질 것이다”라고 밝혔다.
李 교수는 그간 바이오플라스틱 관련 SCI논문만도 70여편을 발표한 이 분야의 세계적 전문가다. 1996년 트렌즈 인 바이오테크놀로지 (Trends in Biotechnology)에 “플라스틱 박테리아 (Plastic Bacteria)”라는 신조어를 발표했으며, 1997년에도 네이처 바이오테크놀로지에 대장균 플라스틱에 관한 전문가 논문을 게재한 바 있다. 현재, 과학기술부의 시스템생물학연구개발 사업에서 시스템 기법을 동원한 연구의 응용 예로서 바이오플라스틱 생산 균주 개량 연구를 수행 중이다.
네이처 바이오테크놀로지 10월호 ‘뉴스와 전망(News and Views)’난에 게재된 미생물 플라스틱 관련 이상엽 교수 논문 내용
- 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA)는 자연계에 존재하는 수많은 미생물들이 탄소원은 풍부하지만 다른 성장인자가 부족할 경우 자신의 세포내부에 에너지 저장물질로 축적하는 고분자이다. 이 PHA고분자는 그 고분자를 구성하고 있는 단량체(단위 화학물질)가 에스터 결합을 하고 있는 폴리에스터로서 20여년 전부터 전 세계적으로 많은 연구가 되어왔다. 하지만, PHA는 물성이 석유화학 유래의 플라스틱보다 좋지 않고, 생산 단가가 매우 높아 상용화는 되지 못했던 실정이다. 1980년대 PHA의 생산 가격은 kg당 15불 정도로서 그 당시 폴리프로필렌 가격의 20배나 되었기 때문이다. KAIST 생명화학공학과 BK21사업단 이상엽 LG화학석좌교수는 과학기술부의 지원으로 대사공학과 발효공정의 결합을 통한 미생물 플라스틱의 효율적인 생산에 관한 연구를 수행하여 왔으며, PHA생산 단가를 kg당 2-3불 정도로 낮추는 공정을 개발한 바 있다. 플라스틱을 꽉 채울 정도로 효율적인 PHA 생산 박테리아를 개발하여 “플라스틱 박테리아”라고 명명한 바 있다.
- 지난 2년여 동안 유가가 유래 없이 고공행진을 함에 따라 전 세계적으로 바이오기반 에너지 및 화학물질의 생산에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. PHA도 그간 경제성과 물성의 취약점 때문에 연구가 시들해 졌다가, 최근 다시 각광을 받고 있다. 이번 10월호 네이처 바이오테크놀로지에 독일의 연구팀이 발표한 플라스틱 생산 미생물의 대표주자 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha)의 게놈 해독 결과는 시사하는 바가 크다. 즉, 그 박테리아의 대사 활동에 관한 청사진을 얻게 됨으로서 보다 체계적인 균주개량이 가능해 지는 것을 의미한다.
- 네이처 바이오테크놀로지는 바로 이 점을 주목하여 이상엽 교수에게 전문가의 분석 논문을 의뢰하였고, 이 교수는 현재 KAIST에서 활발하게 수행하고 있는 시스템생명공학 기법의 적용을 통해 미생물 플라스틱 생산의 획기적인 발전이 있을 것이라고 분석했다. 본 논문에서 李 교수는 “게놈 서열이 밝혀짐에 따라, 게놈수준에서의 대사회로 네트워크 구축이 가능해 졌고, 시뮬레이션을 행할 수 있어, 수많은 시행착오와 실험을 가상의 실험으로 빠르게 대체할 수 있게 되었으며, 이러한 결과를 실제 다양한 전사체, 단백체, 대사체 등 오믹스 결과와 융합 해석함으로서 보다 효율적인 균주의 개발이 가능하다”고 밝혔다. 또한, 플라스틱의 효율적인 생산 뿐 아니라 우리가 사용하고자 하는 용도에 맞는 물성을 가지는 “주문제작(tailor-made) PHA”의 생산도 대사공학을 통해 가능해 질 것으로 예측하였다. 그 외에도 李 교수가 전 세계 특허를 보유하고 있는 광학적으로 순수한 하이드록시카르복실산 생산연구도 탄력을 받게 되었으며, 그 외 이 균주의 특징을 살려 생물학적 수소생산, 방향족 화합물의 생산, 분해 및 응용 등에서도 기술적 발전이 빠르게 일어날 것으로 전망하였다.
- 세계적으로는 최근 미국의 메타볼릭스사와 ADM사가 손을 잡고 PHA의 상용화 수준 생산에 돌입하였고, 풍부한 천연자원의 브라질에서도 바이오에탄올에 이어 PHA를 상용화하고 있다. 그 외 전통적으로 이 분야 연구를 많이 해온 일본과 독일, 그리고 풍부한 바이오매스를 가진 호주에서도 지속적인 상용화 연구를 수행 중이다. 李 교수는 “대표적인 바이오플라스틱 생산 미생물의 게놈 서열이 밝혀짐으로서 효율적인 생산 시스템의 개발을 통한 각국의 상용화 경쟁이 더욱 치열해 질 것”으로 전망했다.
- 李 교수는 이렇게 효율적으로 PHA를 생산할 수 있는 것이 가능해 짐에 따라, 다양한 재생가능한 원료(셀룰로우즈, 전분, 설탕 등)로부터 미생물 발효에 의한 플라스틱의 생산이 보다 본격적으로 진행될 것으로 전망하고, 기존 화학물질의 바이오 기반 생산 기술(white biotechnology)가 보다 더 탄력을 받을 것으로 전망하며, 이에 따라 “우리나라도 일부 시스템 대사공학 기술의 우위를 바탕으로 자원 강대국들과의 전략적 제휴 등을 통해 바이오기반 화학물질 생산 기술과 산업의 확보에 박차를 가해야 할 것”이라고 말했다.
- 네이처 바이오테크놀로지의 ‘뉴스와 전망(News and Views)’은 그 해당 호에 게재되는 논문들 중 영향력이 큰 몇 편의 논문에 대하여 그 분야 세계 최고의 전문가에게 분석을 의뢰하여 초청 논문을 게재하는 섹션으로, KAIST 이상엽 교수는 바이오플라스틱과 관련하여 1997년 1월호에 “대장균이 플라스틱 시대로 접어들다”에 이어 이번 2006년 10월호에 “바이오플라스틱 생산을 해독하다”라는 전문가 분석 논문을 게재하였다.
2006.10.18 조회수 25238 -
이상엽 교수팀, 美 미생물 분자생물학 리뷰지 논문 게재
대장균 단백체 연구, 국내 연구진이 총정리
과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업 결실
생명화학공학과 이상엽 LG화학 석좌교수(李相燁, 42세)와 그의 제자인 한미정(韓美正, 31세)박사(현재 미국 위스타 연구소 및 펜실베니아대학 소속 연구원)의 대장균 단백체 논문이 『대장균 단백체 : 과거, 현재, 미래전망(The Escherichia coli Proteome: Past, Present, and Future Prospects)』이라는 제목으로 한국에서는 처음으로 미국 미생물 분자생물학리뷰(MMBR, Microbiology and Molecular Biology Reviews)誌 6월호에 게재됐다고 밝혔다.
MMBR은 미국미생물학회(American Society for Microbiology)에서 발행하는 70년 전통의 리뷰학술지로서 미생물학 및 미생물 유전학, 분자생물학 등에 관한 바이블과 같은 잡지다. 연간 4회 발행되며 한해 평균 30편 정도의 논문만이 게재된다. 미생물분야 학술지 중에서 영향지수(impact factor)가 17이상으로 가장 높다. 분야 최고의 전문가들의 리뷰논문들이 실리며, 게재되는 논문들의 영향력도 매우 큰 것으로 알려졌다.
이번 논문에서는 지난 1975년도부터 시작된 단백체 기술 발전사, 대장균 단백체에 이용되고 있는 방대한 기술, 현재 대장균 단백체의 연구현황 및 향후 연구방향 등을 총정리했다. 총 335개의 핵심 참고문헌 내용을 포함한 78페이지 분량의 논문으로서 앞으로 대장균 단백체연구의 핵심 참고자료로 활용될 것으로 기대되고 있다. 단백체 기술은 시대 순으로 세부분으로 나눠 자세히 언급했다: (1)이차원 전기영동 젤을 이용한 방법(gel based approaches), (2)비전기영동 젤을 이용한 방법(non-gel based approaches) 및 (3)컴퓨터를 이용한 방법(predictive proteomics). 이러한 방법들을 통해 현재까지 밝혀진 1,627 단백질(～38% of 대장균 게놈의 4,237 유전자)에 대한 단백질 정보가 제공되었으며, 대장균 단백체 실험을 위한 최적의 전략 및 방법을 아주 상세히 언급했다. 또한 대장균 단백체의 연구 현황에서는 학문적, 산업적 측면으로 나눠서 그 중요성을 부각시켰다. 학문적으로는 대장균 단백체의 외부 환경요소의 자극(온도, pH, 산소, 영양부족 등)에 따른 세포내의 반응 및 그 유전자의 조절 메카니즘에 대한 정보가 제공되었으며, 산업적으로는 대장균 단백체 정보를 바탕으로 하여 대사공학 및 맞춤형 유전자 조작을 통한 유용 단백질의 생산성 증대 및 개선에 응용한 성공사례를 자세히 언급했다. 마지막으로 단백체 기술의 한계점을 제시함과 동시에 향후 연구방향도 제시했다.
특히, 심사과정에서 이 논문을 접한 외국 전문가들은 이 논문을 표준(standard)으로 하여 인터넷상에서 대장균 단백체 정보를 총 정리한 웹사이트 운영을 요청해 왔으며, 현재 李 교수팀은 관련 웹사이트를 준비 중에 있다.
韓 박사는 “본 논문은 대장균 단백체의 바이블로서 방대한 자료를 체계적으로 깊이있게 잘 정리했기 때문에 단백체 연구를 처음 시작하는 분들께 많은 도움이 될 것으로 본다”며, “우리나라의 단백체 연구는 세계적 수준이라는 점을 강조하고 싶다.”고 밝혔다.
李 교수는 “우리나라는 미생물 단백체 분야에서 경쟁력이 있을 뿐 아니라, 동식물 대상 단백체 연구도 한국프로테옴기구 등의 왕성한 활동등에서 볼 수 있듯이 국제적으로도 아주 우수한 수준이다. 앞으로 단백체연구를 기반으로 우리나라 생명공학 분야의 학술적 산업적 성과들이 쏟아져 나올 것으로 믿는다.” 라고 말했다.
■ 용어 설명
1) 단백체(proteome): 생명체의 전체 유전자, 즉 유전체(genome)에 의해 발현되는 모든 단백질들의 총합을 말한다. 어떤 단백질이, 얼마의 양으로, 어떤 환경에서 발현되는 가를 파악하는 것을 목적으로 한다. 생명체의 genome이 모든 세포에서 동일한 형태로 존재하며, 생명체가 수행하는 기능의 이론적인 면만을 제시할 수 있음에 반해, 단백체는 세포가 처해 있는 환경에 따라, 그리고 고등 생명체의 경우에는 각 조직 별로 유동적으로 존재하며, 세포의 실제적인 기능을 표현해 준다. 이러한 이유로 급속도로 밝혀지고 있는 미지의 유전자들의 기능을 밝혀 내고자 하는 functional genomics의 한 부분으로 새롭게 부각되고 있고, 세포 내에서 일어나는 실제적인 현상들을 전체 단백질 단계에서 통합적으로 파악하는 수단을 제공한다.
2) 전기영동(electrophoresis): 전기장의 영향을 받아 하전된 물질이 유동성 매체내에서 이동하는 것을 말한다. 특히 단백질 분리용으로 사용되고 있는 이차원 전기영동법(two-dimensional gel electrophoresis)은 먼저 전하량에 따라 단백질을 분리한 후 아크릴 아마이드 젤상에서 단백질 크기에 따라 분리하는 법이다.
3) 게놈: 생물체를 구성하고 기능을 발휘하게 하는 모든 유전정보를 보유한 유전자의 집합체로서, 부모로부터 자손에 전해지는 유전물질의 단위체를 뜻하기도 한다. 이때 게놈에서 유전정보는 DNA라는 분자구조로 존재하며 4가지 화학적 암호인 A·G·T·C 등의 염기서열로 표기되어 있다.
4) 대사공학: 유전자 재조합 기술과 관련 분자생물학 및 화학공학적 기술을 이용하여 새로운 대사회로를 도입하거나 기존의 대사회로를 증폭/제거/변형시켜 세포나 균주의 대사특성을 우리가 원하는 방향으로 바꾸는(directed modification) 일련의 기술을 말한다.
■ 이상엽 교수 프로필
이상엽 교수는 1986년 서울대학교 화학공학과를 졸업하고, 1991년 미국 노스웨스턴대학교 화학공학과에서 석박사를 마쳤다. KAIST에서 약 12년 동안 대사공학에 관한 연구를 집중적으로 수행하여 그간 국내외 학술지논문 208편, proceedings논문 144편, 국내외 학술대회에서 748편의 논문을 발표하였고, 기조연설이나 초청 강연을 200여회 한 바 있으며, Metabolic Engineering(Marcel Dekker 사 발간) 등 다수의 저서가 있다. 그간 202건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였는데, 미국 엘머 게이든상과 특허청의 세종대왕상을 받는 등 기술의 우수성이 입증된 바 있다. 생분해성고분자, 광학적으로 순수한 정밀화학물질, DNA chip, Protein chip 등의 기술 개발에서 탁월한 연구 업적을 쌓았고, 최근에는 소위 omics와 정량적 시스템 분석기술을 통합하여 생명체 및 세포를 연구하는 시스템 생명공학분야 연구와 게놈정보 이용 생물공정기술 개발에 매진하고 있다. 李 교수는 그간 제 1회 젊은 과학자상(대통령, 1998), 미국화학회에서 엘머 게이든(Elmer Gaden)상(2000), 싸이테이션 클래식 어워드(미국 ISI, 2000), 대한민국 특허기술 대상(2001), 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인(2003), KAIST 연구대상(2004), 한국공학한림원 젊은 공학인상(2005) 등을 수상하였고, 2002년에는 세계경제포럼으로부터 아시아 차세대 리더로 선정되어 활동 중이다.
2006.06.12 조회수 22661 -
KAIST-연세의대, 유니버설(범용) 암 진단시스템 개발
KAIST 이상엽, 연세 의대 유내춘, 금기창, 유원민 교수팀, 신규 범용 암 진단 마커인“네오노보” 개발
연세의대 임상 진행 중, 암 진단 시스템 상용화 박차
■ 위암, 간암, 유방암, 췌장암, 신장암, 전립선암, 대장암 등 대부분의 암을 진단할 수 있는 인체 내 싸이토카인 변이체 네오노보(NeoNovo) 발견
■ 네오노보 RNA와 DNA를 이용하여 암을 신속하게 동정할 수 있는 진단 기술과 유니버설(범용) 암 진단 DNA 칩 개발
■ 네오노보 단백질을 대장균을 이용, 고효율로 생산하는 시스템 개발
■ 개발된 네오노보 진단 시스템은 특정 암에만 한정되어 있지 않고, 다양한 종류의 암을 진단할 수 있는 세계에서 유일한 마커(marker)로서 향후 암 진단 및 예후에 있어 획기적인 기술로 평가
■ 연세대 의대 세브란스병원은 임상연구심의위원회(IRB)를 개최, 2005년 12월 16일 네오노보 암 진단 임상연구 허가를 내렸으며, 현재 300건의 임상시험 실시 중
■ 현재 유니버설 암 진단 DNA 칩, 단백질 칩, 진단 키트, 암 치료제 및 암 예방제 등 다양한 형태의 제품으로 연구개발 중이며, 국내외 암 연구 전문가 그룹과의 공동연구도 추진 예정
■ 바이오벤처기업 메디제네스(주)의 지원으로 이루어진 이번 연구결과는 국내에 특허가 등록되었으며, 전 세계 특허 출원 중
1. 연구개발 과정 및 결과
? 전 세계적으로 생명공학에 대한 관심이 급증하고 있으며 이러한 관심으로부터 암을 생명공학적인 관점에서 보다 효율적으로 진단 및 치료하는 시스템을 개발하고자 하는 노력이 경주되고 있다. KAIST 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 42, LG화학 석좌교수) 교수가 연세대학교 의과대학 유내춘 교수(柳來春, 42), 금기창 교수(琴基昌, 42), 유원민 교수(柳元敏, 42)연구팀과 함께 위암, 간암, 유방암, 췌장암, 신장암, 전립선암, 대장암 등 10여종의 암을 효율적으로 진단 할 수 있는 새로운 마커(marker)인 싸이토카인(cytokine) 변이체 네오노보(NeoNovo)의 임상 시험 허가를 받아 진행 중이라고 밝혔다. 이 결과는 현재 세포학적 조직검사 등의 기존 검사법의 시간, 비용적인 단점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 이제까지 알려진 암 진단 마커들과는 달리 유일하게 10여종의 암을 모두 진단할 수 있는 우수성을 가지고 있는 것으로 향후 암 진단 시장을 획기적으로 바꾸어 놓을 수 있는 기술로 평가되고 있다.
? 현재 임상시험이 진행 중인 네오노보의 핵심기술은 이제까지 개발된 암 진단 마커들과는 달리 유니버설하게(범용으로) 암을 진단할 수 있는 인체 싸이토카인 변이체의 발견과 그 특허권 확보에 있다. KAIST와 연세의대 공동연구팀은 인체 싸이토카인의 변이체인 네오노보 RNA가 암 세포에서만 특이적으로 발현되는 것을 발견했다. 특히, 뇌암을 제외한 이제까지 시험한 모든 암 세포나 암 조직에서 네오노보가 발견됨으로써 이를 이용하여 진단 시스템을 개발하게 되었다. 연구팀은 네오노보가 인체내에 자연적으로 존재하는 싸이토카인이 선택적 스플라이싱(alternative splicing)과정을 통해 암세포에서만 특이적으로 나타남을 알아냈다. 바이오벤처기업 메디제네스의 지원으로 이루어진 본 연구는 현재 인체에 생기는 10여종의 암을 신속하게 동정할 수 있는 진단 특허권 확보에 주력한 결과 국내에는 변이체 단백질 네오노보의 원천특허가 등록되었으며, 해외 특허가 출원 중이다. 또한, 진단 제품 뿐 아니라 암 치료제 및 암 예방 및 억제제 등의 다양한 용도로 사용될 수 있을 것으로 보고 단백질의 응용에 관한 추가 특허가 출원 중이라고 KAIST 측은 밝혔다. 현재 암 진단시스템은 연세의대 금기창 교수의 주도로 임상시험이 진행 중이다.
? 연구진의 현재까지의 연구결과에 의하면, 네오노보는 암세포에서만 발견되고 정상세포에서는 발견되지 않았는데, 이는 기존의 암 마커가 정상세포나 정상인에도 있으나 암세포나 암환자에서 차이가 나는 것을 기반으로 하는 것과는 근본적으로 큰 차별성이 있다.
? 암이란 “통제할 수 없는 세포 성장”으로 특징지어지는 100개 이상의 관련 질환의 그룹을 기술하는데 사용되는 일반적인 용어이다. 이러한 비정상적인 세포 성장은 보통 종양(tumor)으로 알려진 세포 덩어리로 발전하고 주위의 조직으로 침투하고, 이어서 신체 다른 부위로 전이되어 생명을 위협하고 있는 질병중 하나로 4명중 1명 이상의 사람들은 그들의 생애 중에 어떤 형태로든 암을 가지게 된다고 알려져 있으며, 선진국에서 전체사망원인의 21%(사망원인 제 2 위)를 차지하고 있다. 일반적으로 말기상태의 암은 치료가 거의 불가능한 반면 초기 상태의 암은 치료율이 훨씬 높아서 초기에 정확하고 신속한 진단방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 상황이다. 이제까지 여러 종류의 암 진단 마커가 발견되고 일부 사용되고 있지만, 1-3 종류의 암만을 진단할 수 있으며 그 정확도도 높지가 않은 편이다. 반면, 이번에 KAIST-연세의대 공동 연구팀이 개발한 네오노보 암 진단 시스템은 독자적으로 개발한 암 특이 단백질과 RNA 및 cDNA, 그리고 이들의 응용까지에 대한 포괄적인 원천 특허권을 확보한 상태에서 세계적으로 유일하게 간암, 위암, 유방암, 폐암 뿐만 아니라 기타 10종 이상의 암에서도 70%-100%의 높은 효율로 진단할 수 있는 마커라는 점에서 향후 세계 보건의료 및 생명공학 시장에 큰 파장을 불러올 것으로 예상된다.
? 또한, KAIST 이상엽 교수팀은 네오노보 재조합단백질을 봉입체 형태로 과량 생산하는 대장균 시스템을 이용하여 암 특이 단백질을 대량 생산하는데 성공하였다. 대량 생산된 네오노보 단백질을 이용하여 조직염색, 면역학적 기술에 접목시켜 보다 편리한 진단 시스템에 응용하는 연구를 진행 중이다. 한걸음 더 나아가, 생산된 암 특이 단백질의 세포 내의 기능에 대한 연구를 진행하고 있다.
2. 연구개발성과 및 향후계획
?휴먼 게놈 프로젝트가 완료된 것을 비롯하여, 최근 여러 생물 종에 대한 게놈 정보가 쏟아져 나오고 있다. 암에 대한 연구 또한 기존의 유전자 돌연변이에 대한 연구를 벗어나 암 특이 발현 유전자 및 단백질에 대한 연구가 많이 시도 되고 있다. 이번에 개발된 진단 시스템 또한 암에서만 특이 발현되는 단백질과 그 유전자를 기반으로 개발된 획기적인 시스템이다. 이 진단 시스템을 이용하면, 단 2가지의 유전정보 및 단백질 발현 형태만으로도 암의 여부를 일시에 검색할 수 있고, 정확도도 70% 이상이다. 체외 진단 시장은 연간 25조원 이상이며, 지속적으로 팽창하고 있다. 이중 특히 암 진단 시장은 고속으로 증가할 것으로 예측되고 있으므로 본 기술의 파급효과는 엄청날 것으로 기대 된다.
? 임상시험을 주도하고 있는 연세의대 방사선 종양학과 금기창 교수는 “이미 암 세포주를 이용한 기초 실험 결과는 놀라울 정도로 진단 효율과 성공률이 높게 나온 상황이고, 지금까지의 임상 시험도 잘 진행 중이므로, 최종 임상결과에 큰 기대를 가지고 있다”라고 말하고, “향후 메디제네스와 함께 범용 암 진단 시스템 개발은 물론, 관련 암 치료 및 암 예방 의약의 개발로도 연구를 할 예정이다”라고 밝혔다.
? KAIST 이상엽 교수는 “원천 특허권 확보가 이루어진 지금 유니버설 암 진단 시스템의 상용화의 추진은 물론, 국내외 암 전문 연구기관과 공동으로 연구를 추진하여 인류 건강의 가장 큰 위협 요인인 암을 예방, 치료하는데 기여하고 싶다”는 포부를 밝혔다.
네오노보의 RNA 발현 여부를 검색함으로써 암세포와 정상세포를 명확하게 구별해내는 네오노보 유니버설 암진단 DNA칩 실험 결과. 초록색 형광 점은 각각 특정 서열을 가지는 DNA 조각으로서 정상세포에서 나타나는 RNA와 암세포에서 나타나는 네오노보 RNA를 특이적으로 진단할 수 있도록 디자인된 것이다.
분자량 마커 생산된 네오노보 단백질
재조합 대장균을 이용하여 생산하고 정제된 네오노보 단백질. 네오노보 RNA로부터 DNA를 합성하여 대장균에 도입하고, 재조합대장균을 키워서 네오노보를 다량 생산한 뒤, 크로마토그래피 (chromatography)를 통해 순수하게 정제된 재조합 네오노보 단백질.
생물정보학 기법으로 예측한 네오노보 단백질의 구조
2006.03.28 조회수 19347 -
생명화학공학과 이상엽교수팀, 게놈 정보 이용 숙신산 고효율 생산 균주 개발
과학기술부 게놈정보 활용 통합 생물공정 원천기술 개발 사업 결실
1. 연구 개발 과정 및 결과
전 세계적으로 최근까지 350여종 이상의 생물체에 대한 전체 게놈 서열이 발표되고 1900여종에 대한 게놈서열이 진행되고 있다. 따라서 이들 정보를 활용한 게놈 수준의 연구에 대한 관심이 집중되고 있는 시점에서, 국내에서 게놈에서 생물공정까지 이르는 체계적인 연구기법을 통해 유용한 화학물질을 효율적으로 생산하는 미생물을 개발하는 개가를 올렸다.
KAIST 생명화학공학과 이상엽 LG화학 석좌교수(李相燁, 42세)연구팀이, 자체적으로 완성한 맨하이미아 균주의 게놈 정보를 기반으로 대사공학 기법을 활용하여 숙신산 고효율 생산 균주를 개발하였다고 9일 밝혔다. 이번 연구에 사용된 균주는 이교수팀이 한우의 반추위에서 분리한 맨하이미아균으로서, 이 균주의 게놈 프로젝트 완성 결과는 우리나라 최초의 게놈 논문으로 2004년 10월 네이처 바이오테크놀로지 (Nature Biotechnology)에 게재한 바가 있다.
이 교수는 이상준 박사, 송효학 박사와 함께 과학기술부 게놈 정보 활용 통합생물공정 원천기술 개발사업의 지원으로, 게놈 수준에서의 대사공학 기법을 적용하여 고효율로 숙신산을 생산함과 동시에 문제가 되는 부산물의 생산을 최소화 할 수 있는 균주를 개발하는데 성공하였다. 즉, 이제까지의 균주개발 연구 방식을 뛰어 넘어 게놈에서 유용한 생명공학제품의 효율적인 생산을 가능하게 하는 새로운 연구 모델을 제시하고, 이를 검증받았다는 점에서 그 의미가 더욱 크다.
이 교수팀은 생물정보학 기법을 이용하여 맨하이미아 게놈 정보로부터 숙신산 생산에 직.간접적으로 관여하는 유전자들을 발굴하고, 이를 바탕으로 숙신산은 많이 만들면서 초산, 젖산, 개미산 등 부산물은 거의 만들지 않는 균주를 디자인 하였다. 이렇게 디자인된 균주를 실제 제작하기 위하여 신규 유전자 조작 시스템 개발을 시작으로, 균주 유전자 제거 기술, 형질전환 기술 등을 개발하였고, 회분식 유가식 배양기술을 개발 실제 발효 연구까지 수행함으로서 게놈에서 생물공정에 이르는 체계적인 시스템을 개발하게 되었다.
2. 연구 개발성과 및 향후계획
맨하이미아를 이용하여 생산하는 숙신산은 일명 호박산으로 화학 핵심 전구체로 사용되어지고 있으며, 생분해성 고분자, 청정용매 (green solvent) 등으로도 사용이 가능하여 향후 1조원 이상의 시장규모를 형성할 것으로 예상되고 있다. 이 교수팀이 개발한 숙신산 과생산 균주개발 기술은 향후 우리나라에서 바이오기반의 화학물질 생산기술 개발에 있어 우위를 점할 수 있는 상징적인 의미가 있으며, 실제 바이오 기반 숙신산 생산기술의 상용화 가능성을 높여주었다는 평가를 받고 있다.
선진국을 중심으로 지속가능한 산업개발의 핵심으로서 원유에 의존하지 않고 재생 가능한 원료로부터 화학물질을 생산하는 환경친화적인 기술개발에 집중적인 연구 개발이 이뤄지고 있다. 이러한 시점에서, 이번 이교수팀이 개발한 연구 결과는 국내 바이오산업이 미국, 유럽, 일본 및 다른 선진국보다 우위성을 가질 수 있는 핵심 기술이 될 수 있다는 가능성을 보였다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히, 우리나라 생명공학자들이 다양한 산업생명공학 기술 개발에 박차를 가하고 있어 그 전망이 더욱 밝다고 하겠다.
특히, 맨하이미아 균은 숙신산을 생산하기 위하여 다량의 이산화탄소를 고정화함으로써 교토협약 및 UN 기후변화협약에의 대응에도 기여할 뿐 아니라, 배럴당 60불 이상의 고유가 시대에 원유에 의존하지 않고 재생가능한 원료로부터 숙신산 생산을 가능하게 함으로써 같은 기술을 다른 화학물질과 바이오에너지 생산에 적용함으로서 국내 원유 수입 의존도를 줄일 수 있다.
이번에 개발된 숙신산 고효율 균주와 관련하여 대사공학적으로 고효율 숙신산 생산 균주 특허 1건, 핵심 유전자 특허 3건, 배양 특허 1건이 출원되었으며, 미국 미생물학회에서 발간하는 응용미생물 관련 권위 학술지인 응용환경미생물학지(Applied and Environmental Microbiology) 3월호에 게재되었다.
이 교수는 “게놈 정보로부터 균을 체계적으로 엔지니어링하여 숙신산 고효율 균주를 탄생시킨 이상준 박사와 그에 따른 다양한 발효기술을 개발한 송효학 박사가 함께 만들어 낸 훌륭한 합작품이다”라고 평가하고, “향후 관련 기술을 지속적으로 발전시켜 게놈정보를 이용한 통합적인 생물공정 개발 원천기술을 확보하여 우리나라 생명공학 산업의 발전에 기여하고 싶다”고 말했다.
2006.03.14 조회수 18638
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생명화학공학과 이상엽 교수, 획기적인 단백체 분석 기술 개발
과학기술부 시스템생물학 연구개발사업 결실
열충격 단백질이 세포외에서 단백질 분해를 효과적으로 억제하는 현상 최초 규명
기존 단백질 분해 저해제보다 최고 50% 이상 단백질 검출 가능 기술 개발
전세계 특허 출원/등록 중, 단백체 연구분야 권위지 미국화학회 발간 저널 오브 프로테옴 리서치에 게재 예정, 온라인판에 공개
생명화학공학과 이상엽 교수(李相燁, 41, LG화학 석좌교수)가 작은 열충격 단백질의 세포외 단백질 분해 저해 기능을 적용하여 획기적으로 향상된 새로운 단백체 분석 기술을 개발했다.
1. 개발배경
포스트 게놈 시대의 가장 주목 받는 연구 분야로서, 또한 시스템 생물학의 중심이 되는 한 분야로서, 세포의 생리적 변화를 단백질 수준에서 관찰할 수 있는 단백체(프로테옴) 연구에 대한 관심이 집중되고 있다. 단백체 연구의 가장 핵심적인 기술은 세포, 조직, 또는 생물체 유래 샘플을 폴리아크릴아마이드젤(polyacrylamide gel) 상에서 2차원 전기영동방법으로 분리하는 것이다. 이때 전체 단백질들을 분석할 수 있도록 단백질 분해를 막는 것이 매우 중요하다.
이제까지 다양한 단백질 분해 저해제들이 개발되어 실험에 사용되어 왔다. 하지만, 단백체 분석시 2차원 전기영동된 젤(gel)에서는 단백질 분해 등의 현상으로 인해 게놈에서 예측되는 숫자보다 훨씬 적은 수의 단백질들이 발견되어 전체 단백질 대상 연구에 한계를 드러냈다.
2. 개발현황
과학기술부 시스템생물학 연구개발사업으로 진행된 이 연구에서 李 교수팀은 대장균의 전체 전사체와 단백체를 분석하고, 이들을 대사 및 조절회로에 연관시키는 과정에서 작은 열충격 단백질의 새로운 기능을 발견하게 되었다.
직접 대장균에서 작은 열충격 단백질을 생산ㆍ정제하고, 이를 이용한 세포 밖 시험관 (in vitro)에서 작은 열충격 단백질이 다양한 효소에 의한 단백질 분해를 효율적으로 억제함을 규명하였다.
또한, 다른 종에서 유래한 작은 열충격 단백질들도 마찬가지로 단백질 분해를 억제하는데 사용될 수 있음도 밝혀냈다.
李 교수팀은 단백체 연구의 핵심기술 중의 하나인 2차원 전기영동시 단백질이 분해되어 변형되거나 없어지는 문제를 해결하고자 이 발견된 기술을 적용하였다. 2차원 전기영동시 작은 열충격 단백질 첨가로 단백질 분해 현상을 저해시킬 수 있음을 밝혀내었다.
기존에 알려진 단백질 분해 저해제를 적용하였을 때는 검출 되지 않았던 단백질들도 이 새로운 방법을 이용하였을 때 검출 가능하였다. 최고 50% 이상 증가된 숫자의 단백질들이 보일 정도로 획기적인 기술로 평가된다.
또한, 이 방법을 미생물뿐 아니라 사람, 식물 유래의 다양한 단백질 시료에도 적용하여 모든 경우에서 그 효과를 확인함으로써, 이 기술이 매우 광범위한 단백질 시료에 적용 가능함을 보여 주었다.
3. 개발성과 및 향후계획
기존의 방법으로 검출 되지 않았던 단백질들이 새로 개발된 방법으로 검출 가능하므로 단백체를 이용한 세포내 생리 변화 관찰 또는 질병 진단 표지 개발 등에 상당한 고성능의 분해능을 제공해 줄 수 있다. 李 교수는 “모든 단백체 분석에 적용이 가능한 이 기술이 향후 단백체 연구 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대한다”고 말했다.
이 기술은 현재 전 세계 특허 출원/등록 중이고, 미국화학회 (American Chemical Society)에서 발간하는 단백체 분야의 권위 있는 학술지인 저널 오브 프로테옴 리서치 (Journal of Proteome Research)에 실리게 되며, 온라인 판에 게재 되었다.
<사진설명>
작은 열충격 단백질 첨가에 의한 단백질 분해를 최소화시켜 분석가능한 단백질 수를 획기적으로 늘린 결과를 보여주는 젤(gel) 사진 (왼쪽 위부터 시계방향으로)
1. 대장균 단백질 시료에 기존에 시판되는 단백질 분해억제제인 칵테일 인히비터를 첨가하여 2차원 전기영동한 젤
2. 같은 시료에 IbpAEc (대장균 유래의 작은 열충격 단백질)를 첨가하여 2차원 전기영동한 젤
3. 같은 시료에 Hsp26Sc (효모 유래의 작은 열충격 단백질)를 첨가하여 2차원 전기영동한 젤
4. 같은 시료에 IbpBEc (대장균 유래의 또 다른 작은 열충격 단백질)를 첨가하여 2차원 전기영동한 젤
- 각 그림의 원 안은 확대된 이미지로서 작은 열충격 단백질 첨가시 까만점(단백질)의 수가 획기적으로 늘어났음을 볼 수 있음.
2005.11.11 조회수 17853
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인체 감염 44종의 원인균 동시 진단용 DNA 칩 개발
KAIST, 연세대 의대, 메디제네스㈜ 공동연구 결실벤처회사와 공과대학이 DNA칩 제작, 의대에서 임상실험하는 바람직한 협력연구의 성과로 평가
사람의 생명을 위협하는 감염질환의 원인균 44종을 동시에 진단할 수 있는 DNA 칩이 국내 공동연구진에 의해 세계 최초로 개발되었다. 메디제네스 ㈜ (대표이사 이진, 李津, 39)는 KAIST 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 41, LG화학 석좌교수)교수팀, 연세대 의대 감염내과 김준명(金俊明, 52) 교수팀(김준명, 장경희, 최준용 박사)과의 공동연구를 통해 감염질환에 자주 나타나는 주요 원인 균주 44종을 신속하게 동정(실체를 밝히는 것)할 수 있는 DNA칩을 개발했다고 9일 밝혔다.
감염질환은 세균이 인체의 내외부에 침입하여 혈액, 체액 및 조직 내에서 자라면서 발병하는 질환으로, 세균의 정확한 진단 및 적절한 치료가 이루어지지 않을 경우, 생명을 잃을 수도 있는 질병이다. 더욱이 최근에는 항생제의 오남용으로 인해 세균의 배양률이 크게 낮아 배양 검사와 같은 기존의 감염질환 진단 방법들이 한계에 부딪치고 있어 항생제의 추가적인 남용 및 검사비용의 낭비 등을 야기할 뿐만 아니라, 적합한 항생제의 투여시기를 놓쳐 환자의 생명이 위협받고 있다.
이번에 메디제네스㈜ 가 개발한 감염질환 진단용 DNA칩은 임상적으로 가장 빈번하게 출현하여 심각한 질병을 일으키는 원인균 44종을 동시에 진단할 수 있다는 특징이 있다. 메디제네스㈜는 KAIST 이상엽 교수팀, 연세대 의대 김준명 교수팀과 공동으로 감염 균주들의 균체 특이성이 높은 DNA조각을 직접 염기서열을 결정하여 특허 출원하였고, 일부 알려진 균들에 대하여는 생물정보학 기법으로 특이한 염기서열 부분을 찾아내는 방식으로 DNA 칩을 제작 하였다. 이 DNA칩은 작은 유리판에 감염질환을 일으키는 균주의 특정 DNA 염기서열과 결합할 수 있는 DNA 조각을 심은 것으로, 균주에서 추출한 DNA와 칩에 심어진 DNA가 칩의 어느 위치에서 결합하는지에 따라 원인균을 쉽게 동정할 수 있도록 설계되어 있다.
이상엽 교수는 “이 DNA 칩의 핵심기술은 우리가 자체적으로 염기서열을 밝혀서 그 서열에 관한 특허를 확보하였고, 이들로 만든 DNA 조각을 이용하여 매우 효과적으로 감염균주들을 감별해 내는데 있다. 칩 자체의 제작도 중요하지만, 임상 시험이 매우 중요한데, 공과대학과 벤처회사가 DNA 칩을 만들고, 의과대학에서 임상시험을 하는 아주 바람직한 형태의 협력연구가 결실을 맺게 되어 기쁘다.”고 밝혔다.
따라서 이번에 개발된 DNA 칩을 이용하면 환자로부터 얻은 다양한 임상 샘플내에 어떤 세균이 존재하는지를 한번의 검사로 빠른 시간내에 정확하게 진단함으로써 가장 적합한 항생제를 투여할 수 있게 된다. 기존 검사법은 균주를 일일이 배양해서 확인했기 때문에 보통 3일 이상 심지어는 몇 주 이상 소요되고 배양률도 50% 이하인데 비해, 이 칩은 14시간 정도면 여러 균주를 동시에 검색할 수 있고, 정확도도 더 높일 수 있는 장점이 있다. 이 관련 기술들은 현재 특허 출원 중이고, 예비임상시험을 마친 후, 대규모 임상시험을 연세대학교 의과대학 김준명 교수팀에서 진행 중이다. 김준명교수는 “최근에 항생제 오남용으로 감염질환의 원인균 동정에 큰 어려움을 겪고 있는 현 실정에서 이러한 DNA칩을 통한 진단법 개발은 임상에서 빠른 시간 안에 원인균을 밝혀내고, 그로 인해 환자에게 꼭 필요한 항생제를 조기에 투여함으로써 환자의 생명을 구하는 획기적인 전기가 되리라 생각한다”고 말했다.
이 감염질환 진단용 DNA칩을 이용함으로써 감염질환 치료를 위해 과다하게 소요되는 항생제 비용을 대폭 절감(연간 약 5천억원)할 수 있을 뿐만 아니라, 보통 한 환자당 2-3번의 원인균 배양이 이루어지는 기존의 검사방법에서 탈피하여 한 번의 검사로 진단이 가능함으로써 감염질환 관련 검사 비용 연간 수백억원이 절감될 수 있을 것으로 예상된다. 메디제네스㈜ 이진사장은 “앞으로 추가 임상 시험 후 식품의약품안전청의 허가를 받은 후 내년에는 국내 각 병원과 연구소에 판매할 계획이며, 이 칩의 판매로 국내에서만 내년에 30억원, 향후 연간 100억원 이상의 매출을 올리고자 하며, 연간 약 2조원으로 추정되는 세계 시장 개척에도 적극적으로 대처하고자 한다.”는 계획을 밝혔다.
2005.06.10 조회수 18824
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새로운 가상세포 모델링 언어 MFAML 개발
KAIST(총장 로버트 러플린)는 생명화학공학과 이상엽 교수(李相燁, 41, LG화학 석좌교수, 생물정보연구센터 소장)가 이끄는 생물정보연구센터 연구팀이 가상세포 모델의 새로운 국제표준어를 개발하는데 성공, 일반에 공개한다고 24일 밝혔다.
1. 개발 배경
현재까지 국내는 물론 전 세계 생명 과학 분야 기업이나 연구 기관들은 연구 결과로부터 얻어진 생물 정보 데이터를 각기 다른 독자적인 포맷으로 저장해 왔다. 또한 생명 과학 연구에 필요한 분석 도구들도 역시 각자의 언어와 환경을 기반으로 개발된 것이 현실이다.
단순한 서열 분석뿐만 아니라 세포내부 대사물질의 흐름 분석과 같은 복잡한 연구를 위해서는 다양한 형태의 데이터와 정보를 얻고, 이를 여러 가지 분석 도구를 통해 입력 데이터로 넣어서 처리하게 된다. 이때 필요한 데이터와 정보에 쉽게 접근하여 분석하기 위해서는 데이터 포맷의 표준화가 시급하다. 또한 기 개발된 다양한 시스템과 분석 도구들을 연구 목적에 맞게 적절히 결합하여 사용하기 위해서는 각 시스템과 분석 도구간의 상호 운용성 확보가 매우 중요하다.
2. 개발 현황
이처럼 전 세계적으로 다양한 생물 정보 데이터 처리를 위해 국제 표준화가 급속히 진행되는 시점에서 KAIST 이상엽 교수팀은 과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업의 일환으로 가상세포 모델의 새로운 국제표준어인 MFAML 개발에 성공, 일반에 공개하게 된 것이다.
李 교수팀은 XML이 지니는 이식성, 재사용성, 확장성, 효율적인 데이터 교환 등의 이점을 활용하여 가상세포 모델을 구조적으로 표현할 수 있는 데이터 서식을 개발하였으며, 특히 가상세포의 다양한 유전학적 또는 환경적 실험조건과 분석결과를 표준화하여 누구나 쉽게 정보를 공유할 수 있고, 다른 분석 환경에서 손쉽게 이용 가능하도록 하였다.
KAIST 생물정보연구센터의 윤홍석 연구원은 “MFAML을 통해 전 세계에 퍼져있는 바이오 정보의 효율적인 활용이 기대되며 정보의 표준화를 통한 기술적, 경제적 이득을 얻을 수 있을 것이다. 또한, 함께 제공되는 라이브러리를 통해 손쉽게 이를 구현 가능하도록 하였다”고 설명했다.
3. 개발성과 및 향후계획
李 교수팀은 기존에 전세계에 공개한 가상세포 초기 모델 프로그램인 메타플럭스넷의 개발과 통합 데이터베이스 시스템인 바이오실리코 구축과 더불어 이번 개발성과를 통해 가상세포 개발에 한 발짝 더 나아가게 되었다. 李 교수는 “기존의 개발한 메타플럭스넷이나 바이오실리코의 경우는 각각의 개별 시스템으로 운용되어 왔으나 이번에 수행한 연구를 통해 각각의 시스템을 하나로 묶을 수 있는 기반을 가지게 되었다. 앞으로도 지속적인 연구와 업그레이드를 통해 다양한 가상세포 모델을 제공하도록 하며, 전 세계의 정보 교환의 기초 도구로 활용될 수 있도록 노력 하겠다”고 밝혔다.
현재 MFAML에 대한 관련 정보는 홈페이지(http://mbel.kaist.ac.kr/mfaml)에서 무료로 다운로드 받을 수 있다.
KAIST 생물정보연구센터의 이동엽 박사는 “조만간 다양한 가상 세포 시뮬레이션이 가능한 획기적인 통합 환경을 제공하게 될 것"이라고 말했다.
한편, 이 연구 성과는 생물정보학 분야 저명 학술지인 英國 옥스퍼드대학출판사가 발간하는 바이오인포메틱스(Bioinformatics)誌에 게재 승인되어 온라인상에 공개되었다. 본 MFAML 관련 개발된 표준화 기술은 대사공학과 연결시켜 현재 국내외 특허 출원중이다.
<용어 설명>
① XML(eXtensible Markup Language) : 주고받는 데이터의 포맷을 표준화해서 데이터 교환을 용이하게 하기 위해 생겨난 정보교환 기술로 인터넷 웹상의 데이터와 각종 문서에 대한 일관된 표준이다.
② MFAML(Metabolic Flux Analysis Markup Language) : 주고받는 데이터의 포맷을 표준화해서 데이터 교환을 용이하게 하기 위해 생겨난 정보교환 기술인 XML을 이용하여 생체 대사흐름을 쉽게 분석할 수 있도록 만들어진 일종의 가상세포모델 표준언어
2005.05.25 조회수 22165
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국내 가상세포 연구 국제화 본격 시동
국내 가상세포 연구 국제화 본격 시동KAIST 대사회로 분석 프로그램‘메타플럭스넷(MetaFluxNet)’ 새 버전 발표
- KAIST 이상엽교수 연구팀, 과학기술부 국가지정연구실 및 시스템생물학 사업
가상세포 대사 시뮬레이션 소프트웨어의 시스템생물학 기반 업그레이드 버전 MetaFluxNet v. 1.69 개발 공개
컴퓨터 상에서 대사회로 분석 시뮬레이션을 통해 실제 생물 실험의 상당부분을 효율적으로 대체하여 비용 절감 및 시스템 성능 개선 효과
시스템 생물학 연구의 국제 공동체인 SBML 프로그램에 공동참여
향후 데이터베이스와 연동하여 가상세포시스템 구축을 위한 통합환경 개발 및 상용화 예정
1. 개발배경
몇 년 전까지만 해도 한 미생물의 유전자 지도를 완성하기 위해 1년 이상 걸리던 것이, 이제는 불과 며칠 밖에 걸리지 않고, 유전자에서 단백질과 상호작용 네트워크에 이르기까지 다양한 수준의 생물학 정보들이 한꺼번에 쏟아져 나오고 있다.
이제 이러한 정보와 첨단 컴퓨터 가상실험 기술을 이용해 복잡한 생명현상을 이해하거나 이를 산업적으로 이용하려는 노력이 이뤄지고 있다. 축적된 수많은 생물정보들을 바탕으로 가상세포를 모델링하여 생명체 현상을 체계적으로 분석하고 활용하는 시스템 생명공학 연구가 바로 이와 같은 맥락으로, 전 세계에서 경쟁적으로 이루어지고 있는 반면 국내 연구는 다소 미흡한 실정이었다.
2. 개발현황
KAIST(총장 로버트 러플린) 생명화학공학과 대사공학국가지정연구실의 이상엽(李相燁, 40, LG화학 석좌교수, KAIST 생물정보연구센터 소장)교수는 생물정보연구센터의 이동엽 박사와 공동으로 기존에 초기 버전으로 공개했던 가상세포 분석 프로그램 MetaFluxNet의 새로운 버전 1.69를 개발하는데 성공하였다.
이번에 발표한 새 버전을 통해 약 1,000개 이상의 생화학 반응식들로 이루어진 실제 미생물에 근접한 가상세포시스템 구성이 가능해졌다. 이를 바탕으로 컴퓨터상에서 실험 환경을 다양하게 변화시키거나 유전자를 조작했을 때 세포 내부에서 어떤 현상이 일어나는지 가상적으로 정확하게 예측하게 된다.
전체 세포 수준의 미생물 모델링을 비롯하여, 세포내의 흐름분석, 네트워크 시각화 등의 가상 세포 시뮬레이션을 위한 핵심 기능을 제공하고 있고, XML과 같은 최신 데이터 교환기술을 이용해 다양한 프로그램과 효과적으로 연동할 수 있다.
李 교수팀은 숙신산 산업균주인 맨하이미아균의 유용성을 규명하는데 이 프로그램을 일부 활용하여 최근 네이처 바이오테크놀로지에 발표한 것으로 알려졌다.
3. 개발성과 및 향후계획
李 교수팀은 실험, 문헌 및 자체 개발한 각종 데이터베이스로부터 다양한 가상세포 모델을 구축하고 적용하여 막대한 시간과 비용이 드는 수많은 반복 실험의 상당부분을 대체하고 있다. 현재 MetaFluxNet(버전 1.69) 프로그램 패키지는 대사공학국가지정연구실의 홈페이지(http://mbel.kaist.ac.kr)에서 무료로 다운로드 받을 수 있고, 지금까지 약 30여개국 300여명의 전 세계 대사공학 및 생물학 관련 연구자들이 이용하고 있다.
이러한 성과를 인정받아 시스템 생물학 연구 국제공동체인 SBML의 요청으로 시스템 생물학 국제 공동 연구에 일원으로 참여하게 되었다. 이로써 전 세계 시스템 생물학 및 가상 세포 연구에 주도적 역할을 기대할 수 있게 되었다.
한편, 이 교수팀과 생물정보연구센터는 올해 개발 공개한 대사회로 통합 데이터베이스 시스템인 바이오실리코와 유기적으로 연동할 수 있는 최적 환경을 구축하고 있고, 웹상에서 가상 세포의 동적인 거동을 예측할 수 있는 시스템도 KAIST 박선원 교수팀과 공동으로 개발에 나서고 있다. 향후 완전 자동화된 최종 통합 프로그램은 기업체와 공동으로 상용화할 계획이다.
2004.11.08 조회수 23042