• 유전자 전달 과정 모방한 합성 방식 
• MRI 조영 및 암 진단 기술에 활용 기대 

 한국연구재단은 이종범 교수(서울시립대) 연구팀이 DNA의 복제과정을 활용하여 MRI* 조영*, 암 진단 기술에 기여할 수 있는 생체 친화적 DNA-무기물* 복합체를 합성했다고 밝혔다.
  * MRI : 자석으로 구성된 장치에서 인체에 고주파를 쏘아 인체에서 메아리와 같은 신호가 발산되면 이를 되받아서 디지털 정보로 변환하여 영상화하는 것을 말한다.
  * 조영 : MRI 촬영이나 CT 촬영과 같은 검사 때에 조직이나 혈관을 잘 볼 수 있도록 영상의 대조를 크게 해주는 효과이다.
  * 무기물 : 칼슘, 칼륨, 나트륨, 마그네슘, 철 등의 물질로 무기 이온은 동식물의 세포 대사에 반드시 필요한 요소이다.

유전자 치료제 및 조영제 개발을 위해서는 인체에 무해하며 치료제 전달 및 조영 효과가 뛰어난 소재 개발이 필수적이다. 이전까지 알려진 대부분의 화학적 합성법은 독성이 강한 유기 용매를 사용하여 생성된 소재가 인체에 유해하기에 적용에 어려움이 있었다. 

연구팀은 기존 방식과 다르게 사람의 유전자 전달 과정을 모방한 합성 방식을 개발하였다. DNA 복제 과정에서 부산물로 생산되는 파이로인산염*을 통해 핵산과 무기물의 자가조립을 유도한 것이다.
  * 파이로인산염(pyrophosphate) : DNA 복제 효소가 뉴클레오타이드삼인산을 DNA 복제에 사용하고 남은 부산물. 
 
일반적으로 DNA 복제 효소는 복제 과정에서 무기물 중 마그네슘 이온을 보조인자로 사용한다. 연구팀은 성질이 비슷한 다른 무기 이온 역시 보조인자로 사용할 수 있을 것이라는 점에 착안하여 연구를 시작하였다.

연구팀은 망간, 코발트, 마그네슘 등 다양한 무기 이온을 후보로 선정하여 여러 가지 복합체를 생성해냈다. 특히, 핵산-망간 복합체는 해슬백 포테이토를 닮아 표면적이 넓어 많은 줄기세포 전환인자와 같은 각종 약물들도 탑재할 수 있었다.

 DNA-무기물 복합체는 생체 친화적 소재로 이뤄져 있고, 대량의 유전정보를 담을 수 있기 때문에 앞으로 줄기 세포의 생성을 위한 유전자 전달 등에 사용할 수 있을 전망이다.

이종범 교수는 “이번 기술 개발을 통하여 인체에 무해한 DNA 기반 생체 친화적 인체 조영 및 암 진단 기술의 기반이 마련되었다”며 “질병 진단 및 유전자 치료제 연구 속도를 성공적으로 높여 향후 줄기세포 전환 기술 및 암 진단 등 다양한 분야에 폭넓은 파급효과가 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구는 연구책임자인 이종범 교수와 이진우 교수(포항공대), 한정우 교수(서울시립대), 이호영 교수(서울대) 등의 공동 연구를 통해 이뤄졌다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단  바이오‧의료기술개발사업 등의 지원으로 수행되었다. 재료 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials) 11월 30일자 논문으로 게재되었다.

논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Enzyme-driven hasselback-like DNA-based inorganic superstructures
   - 저자 정보 : 이종범 교수 (교신저자, 서울시립대학교), 이제성 (공동 제1저자, 서울시립대학교 화학공학과), 김혜진 (공동 제1저자, 서울시립대학교 화학공학과), 조창신 (포항공과대학교 화학공학과), 정재필 (서울시립대학교 화학공학과), 고정현 (서울시립대학교 화학공학과), 한상우 (서울시립대학교 화학공학과), 이민선 (서울대학교 의과대학, 서울대학교 암연구소), 이호영 교수 (서울대학교 의과대학, 서울대학교 암연구소), 한정우 교수 (서울시립대학교 화학공학과), 이진우 교수 (포항공과대학교 화학공학과)

□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
   ○ 성공적인 유전자 치료제 및 조영제 개발을 위해서는 인체에 무해하며 치료제의 전달 및 조영 효과가 뛰어난 소재의 개발이 필수적이다.
   ○ 이전까지 알려진 화학적 합성법의 경우, 독성이 강한 유기 용매의 사용 등으로 생산된 소재가 인체에 유해하여 실제적인 적용에 어려움이 있는 실정이었다.

 2. 연구내용
   ○ DNA 복제 효소가 DNA를 복제하는 과정에서 파이로인산염*이 지속적으로 생산됨을 활용하여 핵산과 무기 파이로인산염이 지속적인 자가조립을 유도하여 생체 유사 환경에서 DNA-무기 복합체를 합성하였다. 이렇게 제작된 DNA-무기 복합체는 대량의 유전자를 포함하고 있음을 확인하였고 이 과정에서 사용한 무기물의 종류 및 농도에 따라 DNA-무기 복합체의 성질뿐만 아니라 모양과 크기도 조절이 가능함을 보였다.
    * 파이로인산염(pyrophosphate) : DNA 복제 효소가 뉴클레오타이드삼인산을 DNA 복제에 사용하고 남은 부산물. 
   ○ 생산 공정에서 사용되는 무기 이온의 종류, 재료가 되는 물질들의 농도 및 DNA의 염기서열 조절을 통해 최종 산물인 DNA-무기물 복합체의 모양, 구성 물질 및 기능을 조절하는 데에 성공하였다. 특히, 합성한 다양한 구조체의 성질을 전자주사현미경을 통한 형태와 조성 확인, 집속 이온 빔(focused ion beam)*을 이용한 내부 구조 확인, 시간에 따른 구조 성장 과정 확인뿐만 아니라 수학적인계산을 통한 시뮬레이션을 통해서도 구조 제작 과정을 면밀히 분석하였다.
    * 집속 이온 빔: 고전압에 의해 집속된 이온의 흐름.
   ○ 개발된 기술을 통해 생산된 DNA-무기 복합체의 유전자 탑재 능력, MRI 조영 효과, 암 진단 효과, 생체 전극 소자로서의 활용 가능성을 확인하였으며 세포에 다량으로 적용하였을 시에도 무해함을 증명함으로써 생체 적합성을 확인하였다.

3. 연구 성과
   ○ 인체에 독성이 강한 유기용매의 사용 등으로 합성된 무기물을 인체에 적용하였을 때 독성을 유발할 가능성이 있는 기존의 화학 합성법의 한계를 극복하고 생체 시스템을 모방한 핵산-무기 복합체 제작 기술을 개발함으로써 MRI 조영제, 생체 전지의 전극 물질 등 다양한 생체 재료로서 활용할 수 있는 핵산-무기물 복합체를 생산할 수 있게 되었다.
   ○ DNA 복제 공정을 모사하여 무기 복합체에 대량의 유전자를 탑재함으로써 암을 비롯한 난치병 치료에 효과적인 유전자 치료제로서의 활용 가능성을 보였다.
   ○ 생산 공정에서 사용되는 재료와 물질의 농도 및 유전자 염기서열 조절을 통해 생성되는 핵산-무기물 복합체의 모양, 구성 물질 및 기능도 조절할 수 있기 때문에 이 기술의 개발로 원하는 기능에 따라 매우 다양한 핵산-무기물 복합체를 생성할 수 있게 되었다.

연구결과
 1. 연구배경
  ㅇ 일반적으로 생체 내에서 다음 세대로 유전자를 전달하기 위해 유전자를 복제하는 과정은 DNA 복제 효소가 담당한다. 이 효소는 마그네슘 이온의 도움을 받아 주형이 되는 DNA를 복제하게 되는데, 이 때 주형이 되는 DNA를 원형으로 제작하면 효소가 원형 DNA를 반복적으로 복제하면서 회전환증폭법 (rolling circle amplification)을 통해 대량의 DNA를 길게 뽑아낼 수 있게 된다.
  ㅇ DNA를 복제하는 과정에서 부산물로 생산되는 파이로인산염(pyrophosphate)은 DNA 복제가 진행됨에 따라 지속적으로 공급되고 이를 활용하면 핵산과 마그네슘-파이로인산염의 결합을 유도할 수 있다.
  ㅇ 이에 대해 이종범 교수팀의 이번 연구 논문에서는 DNA 복제 공정의 보조 인자로서 성질이 비슷한 다른 무기 이온도 사용될 수 있을 것이며 이를 활용하면 다양한 성질을 갖는 구조체를 손쉽게 제작할 수 있을 것이라는 점에 착안하여 생체 유사 환경에서 다양한 종류의 DNA 기반 무기 복합체를 생산하는 기술을 개발하였다.
 2. 연구내용
  ㅇ 핵산 복제 효소가 DNA를 복제하는 과정을 이용하여 DNA 기반 무기 복합체 제작
- 이종범 교수 연구팀은 DNA 복제 효소가 DNA를 복제하는 과정에서 파이로인산염이 지속적으로 생산됨을 활용하여 핵산과 무기 파이로인산염이 지속적인 자가조립을 유도하여 생체 유사 환경에서 DNA-무기 복합체를 합성하였다. 이렇게 제작된 DNA-무기 복합체는 대량의 유전자를 포함하고 있음을 확인하였고 이 과정에서 사용한 무기물의 종류 및 농도에 따라 DNA-무기 복합체의 성질뿐만 아니라 모양과 크기도 조절이 가능함을 보였다. 
ㅇ 생산 공정의 조절을 통한 다양한 기능을 가지는 DNA 기반 무기 복합체제작 및 복합체 물성 심층 분석
- 생산 공정에서 사용되는 무기 이온의 종류, 재료가 되는 물질들의 농도 및 DNA 의 염기서열 조절을 통해 최종 생산물인 DNA-무기물 복합체의 모양, 구성 물질 및 기능을 조절하는 데에 성공하였다. 특히, 합성한 다양한 구조체의 성질을 전자주사현미경을 통한 형태와 조성 확인, 집속 이온 빔(ion beam)을 이용한 내부 구조 확인, 시간에 따른 구조 성장 과정 확인뿐만 아니라 수학적인 계산을 통한 시뮬레이션을 통해서도 구조 제작 과정을 면밀히 분석하였다.
ㅇ 생체 적합성 소재로서의 기능 검증
- 개발된 기술을 통해 생산된 DNA-무기 복합체의 유전자 탑재 능력, MRI 조영 효과, 암 진단 효과, 생체 전극 소자로서의 활용 가능성을 확인하였으며 세포에 다량으로 적용하였을 시에도 무해함을 증명함으로써 생체 적합성을 확인하였다.
3. 기대효과
  ㅇ DNA를 기초로 한 DNA-무기물 복합체는 생체 소재로 이루어져 인체에 무해함과 더불어 대량의 유전정보를 포함하기 때문에 유전자 치료 분야에서 각광받고 있는 줄기 세포의 생성을 위한 유전자 전달, 유해 단백질 생성을 막거나 유익한 단백질 생성을 돕는 유전자 전달에도 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
  ㅇ 특히, 핵산-망간 복합체의 경우 해슬백 포테이토(hasselback potato)와 닮아 표면적이 넓기 때문에 대량의 줄기세포 전환인자를 탑재하여 줄기세포 전환인자 전달체로서의 활용이 기대된다.
  ㅇ 나아가 본 연구에서의 MRI 조영효과 및 표적세포 탐지에 대한 결과를 바탕으로 핵산-망간 복합체를 활용하면 유전자 전달체 역할을 함과 동시에 암 세포 등 질병 원인 세포를 추적하는 표지로서의 활용도 기대된다.

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

우리 연구실에서는 DNA, RNA와 같은 유전자를 재료로 하여 다양한 생체 적합 소재를 개발하는 연구를 주로 진행해왔다. 특히, 생체 내에서 유전자를 다음 세대로 전달하는 데에 핵심적인 역할을 하는 다양한 생체 효소의 유전자 복제 공정에 착안하여 새로운 생체 적합성 소재를 개발하는 데에 집중해왔다. 이번 연구에서는 DNA 중합효소가 마그네슘 이온을 보조인자로 사용하여 DNA를 복제하는 과정에서 성질이 비슷한 다른 무기 이온들 역시 DNA 복제에 보조 인자로서 사용될 수 있을 것이며 사용된 무기 이온의 성질을 이용하면 인체 조영 및 질병 진단 기술에 활용될 수 있다는 점에 착안하여 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구를 진행하기 위해 DNA 복제 과정에서 마그네슘의 역할을 대체할 수 있을 것으로 생각되는 마그네슘과 성질이 비슷한 무기 이온의 후보를 우선적으로 선정하였다. 후보로 선정된 이온과 DNA 중합효소를 사용하여 유전자 복제 양상을 확인하였고 생산 공정에서 사용되는 무기 이온의 종류, 재료가 되는 물질들의 농도 및 DNA 의 염기서열 조절을 통해 최종 생산물인 DNA-무기물 복합체의 모양, 구성 물질 및 기능을 조절하였다. 이런 과정을 통해 생산된 DNA 기반 망간 복합체는 생체에 무해하면서도 MRI 조영 효과를 가지며 암 세포 표지자 및 생체 전지의 전극 소재로서의 활용 가능성도 확인하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

일반적으로 DNA 중합효소는 무기 이온 중에서도 마그네슘 이온을 보조인자로 사용하기 때문에 우리가 사용하는 다른 무기 이온들이 DNA 복제 과정에 어떠한 영향을 주는지 모르는 채로 실험을 진행하였다. 비슷한 성질을 갖는 무기 이온 후보가 많았기 때문에 모든 이온을 다양한 농도에서 테스트해보아야 했다. 또한 일반적으로 DNA 중합효소가 활성을 가질 수 있도록 하는 버퍼 용액에서 우리가 사용한 무기 이온이 앙금을 형성하여 가라앉아 버리는 바람에 실험을 진행할 수 없는 경우도 생겼다. 이를 해결하기 위해 사용하는 모든 무기 이온과 여러 가지 다른 물질들 간의 교차 반응을 검증했고 최종적으로는 우리 연구실에서 독자적으로 DNA 중합효소가 활성을 잃지 않게 하는 버퍼 용액의 조성을 찾았다. 이런 과정을 거쳐 이전까지 볼 수 없었던 완전히 새로운 구조의 DNA 기반 복합체를 처음으로 전자주사현미경으로 확인하였을 때의 그 기쁨은 지금도 잊을 수 없다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구 성과는 생산 공정에서 무기 용매 등 생체에 독성이 강한 용매를 사용하지 않고 생체와 유사한 환경에서 진행하여 생체에 적용이 가능한 DNA-무기물 복합체를 합성할 수 있는 방법의 개발에 가장 큰 의의를 둘 수 있다. 이렇게 개발된 생체 적합성 DNA 기반 무기 소재는 기존 화학 합성법의 한계를 극복하고 MRI 조영제, 암 진단 표지자, 유전자 전달체 뿐만 아니라 생체 전지의 전극 물질로서도 폭넓게 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

이번 연구를 통해 구축된 시스템을 토대로 유전자 전달체 역할을 함과 동시에 암 세포 등 질병 원인 세포를 추적하는 표지로서의 활용이 가능한 다기능성 구조체를 합성하고 실제 생체 모델에 적용하여 그 효과를 확인하고자 한다. 또한 이 기술의 개발 과정과 유사하게 DNA 복제 과정 이외의 다양한 생체 작용을 활용하여 생체 모방형 소재의 개발에 더욱 박차를 가하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구를 마무리하기까지 많은 어려움이 있었다. 앞서 언급했다시피 모든 실험에 대해 선행 연구 사례가 없었기 때문에 모든 실험의 결과가 어느 때보다 새로웠다. 사용한 무기 이온의 종류, 농도, 주형 DNA 의 농도 등 각 조건에 따라 너무나 다양한 크기와 모양을 갖는 다른 재료가 만들어졌기 때문에 매 실험 결과가 나올 때마다 연구진끼리 잦은 논의를 통해 소재 합성 조건을 최적화해 나갈 수 있었다.

용어해설
1. 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 저널 (Advanced Functional Materials)
  ○ 신소재 개발 및 응용 분야의 세계적으로 권위 있는 학술지※ 피인용지수: 12.124

2. DNA 중합효소 (DNA polymerase)
  ○ 생체 세포 내에서 DNA 이중 나선 중 한 개의 사슬을 주형으로 하여 새로운 DNA 사슬 형성을 촉매하는 효소로서 DNA의 구성요소인 뉴클레오타이드를 모음으로써 DNA 분자를 만드는 효소이다. 마그네슘 이온의 도움을 받아 복제 과정을 진행하며 DNA의 복제 및 손상 회복에 작용한다.

3. 회전환증폭법 (rolling circle amplification)
  ○ 원형의 DNA로부터 DNA 중합효소를 이용하여 DNA 가닥들을 급격하게 증가시키는 핵산 증폭 기술로 첫 번째 단계에서는 특정 유전 정보를 담고 있는 긴 가닥의 DNA의 양 끝에 결합이 가능한 짧은 가닥 DNA와 결합시키고 리가아제(ligase)라는 효소를 이용하여 화학적으로 틈을 완전히 결합시켜 막아준다. 이렇게 준비된 원형의 DNA로부터 DNA 중합효소를 이용하여 유전자 증폭을 시켜주는 과정을 회전환증폭법이라 하고 회전환증폭법을 통해 생산된 DNA는 준비한 원형 DNA에 상보적인 염기서열을 기존 방법의 수백 배 이상 갖는다. 따라서 회전환증폭법은 고가의 기존 합성 방법에 비해 상대적으로 저렴한 가격으로 유전자 치료제 생산이 가능케 한다.

4. 무기 이온 (inorganic ion)
  ○ 칼슘, 칼륨, 나트륨, 마그네슘, 철 등의 이온 형태를 지칭한다. 무기 이온은 동식물의 세포 대사에 반드시 필요한 요소이고 생체 내에서 근육의 수축이나 신경 활성을 위한 전기적 활동, 삼투압 조절, 에너지 대사, 산소 운반 등의 과정에 중요한 역할을 한다.

5. 자기 공명 영상 (MRI)
  ○ 자기 공명 영상이란 자기장을 발생하는 커다란 자석통 속에 인체를 들어가게 한 후 고주파를 발생시켜 신체 부위에 있는 수소 원자핵을 공명시켜 각 조직에서 나오는 신호의 차이를 측정하여 컴퓨터를 통해 재구성하여 영상화하는 기술이다. 간단히 말하면, 자석으로 구성된 장치에서 인체에 고주파를 쏘아 인체에서 메아리와 같은 신호가 발산되면 이를 되받아서 디지털 정보로 변환하여 영상화하는 것을 말한다. MRI는 X-ray처럼 이온화 방사선이 아니므로 인체에 무해하고 3-D 영사화가 가능하며 컴퓨터단층촬영(CT)에 비해 대조도와 해상도가 더 뛰어나다.

6. 조영제
 ○ 자기공명영상(MRI) 촬영이나 컴퓨터단층(CT) 촬영과 같은 방사선 검사 때 조직이나 혈관을 잘 볼 수 있도록 각 조직의 X선 흡수차를 인위적으로 크게 함으로써 영상의 대조도를 높여주는 약품이다.

7. 줄기세포 전환 인자 (Reprogramming factor)
 ○ 유도만능줄기세포 또는 역분화 줄기세포는 단기능의 성인의 피부세포와 같은 체세포가 모든 종류의 조직으로 발생할 수 있는 만능성을 가지도록 역분화를 일으키는 4가지 특정 유전자를 주입하여 얻어지는 줄기세포이다. 이 때, 역분화를 일으키기 위해 주입하는 유전자를 줄기세포 전환 인자라고 한다. 2007년 일본 교토대 야마나카 신야 교수팀이 최초로 성인의 피부 세포에 줄기세포 전환 인자들을 주입하여 유도만능줄기세포를 만드는 데에 성공했고 이미 성숙하고 분화된 세포를 미성숙한 세포로 분화시켜 다시 모든 조직으로 발전시킬 수 있다는 사실을 발견, 증명한 공로가 인정되어 2012년 노벨 생리학 의학상 수상자로 선정되었다.

그 림 설 명

(그림1) DNA 기반 다양한 구조의 생체 친화적 복합체(왼쪽)와 DNA-망간 복합체를 전자주사현미경으로 본 사진(오른쪽)
(왼쪽) 생체 효소의 DNA 복제 공정을 활용하여 다양한 기능을 갖는 생체 친화적 DNA 기반 무기 복합체를 제작하는 과정.
(오른쪽) 해슬백 포테이토(Hasselback potato)와 유사한 구조를 갖는 DNA-망간 복합체의 모습. 표면적이 넓어 다량의 유전자 치료제를 탑재할 수 있는 것이 특징이다.

(그림2) 암 세포 인식 DNA-망간 복합체의 생성과정 모식도(A), 암 세포 표지 효과(B), 암 세포 특이적 MRI 조영 증강 효과(C), 생쥐 주입 시 하대정맥 조영 증강 효과(D)

(A) DNA-망간 복합체를 암 세포의 표면에 많이 발현되는 EGFR 항체와 결합 시켜주면 복합체가 암 세포에만 결합하여 MRI 조영에 대한 증강 효과를 보일 수 있다.
(B) 복합체를 암 세포에 처리 시 복합체의 농도가 높아짐 따라 암 세포가 붉은 색으로 표지되는 것을 확인하였다.
(C) 암 세포 인식 DNA-망간 복합체가 암 세포에 결합하여 암 세포만 특이적으로 조영 증강 효과를 보이고 있다.
(D) 생쥐 정맥에 주사하고 MRI 촬영 시 하대정맥의 조영 증강 효과가 보인다.

이종범 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항                                         
 ○ 소 속 : 서울시립대학교                              
 ○ 전 화 : 02-6490-2372
 ○ e-mail : jblee@uos.ac.kr

2. 학력
 ○ 2002년 서강대학교 학사 (화학공학)
 ○ 2007년 미국 코넬대 석사 (생명공학)
 ○ 2009년 미국 코넬대 박사 (생명공학)

3. 경력사항
 ○ 2009 ~ 2010 : 미국 코넬대 생명공학 박사후연구원
 ○ 2010~  2011 : 미국 메사추세츠 공과대학 (MIT) 화학공학 박사후연구원
 ○ 2011 ~ 2015 : 서울시립대학교 공과대학 화학공학과 조교수
 ○ 2015 ~ 현재 : 서울시립대학교 공과대학 화학공학과 부교수

4. 전문 분야 정보
 ○ 핵산공학, 나노바이오테크놀로지, 바이오센서, 약물전달, 유전자치료, 신약개발, 질병진단

5. 연구 지원 정보 
 ○ 2016~현재: 과학기술정보통신부‧한국연구재단 바이오·의료기술개발사업
 ○ 2015~현재: 과학기술정보통신부‧한국연구재단 신진연구자후속지원사업
 ○ 2017~현재: 과학기술정보통신부‧한국연구재단 미래소재디스커버리사업

한국연구재단 홍보실 제공