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신약개발용 바이오 전자센서 개발한국생명공학연구원-서울대 공동
  • 박희범 과학기술전문기자
  • 승인 2017.06.11 17:14
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왼쪽부터 권오석 생명연 선임연구원, 장정식 서울대교수, 박태현 서울대 교수.

한국생명공학연구원(원장 장규태, 이하 생명연) 및 서울대학교(장정식, 박태현 교수) 공동연구팀은 단백질(도파민 수용체)이 결합된 전도성 나노튜브 기반 신규 바이오 전자센서 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

향후 신약 개발 사업에서 신약 스크리닝의 시간과 비용을 절감하게 될 것으로 기대된다.

신약을 스크리닝하는 방법은 매우 다양하나 현재 스크리닝 기법은 모두 세포기반에서 진행되고 있다. 세포기반의 스크리닝은 시간/경제적 효율에 있어서 한계를 가지고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위하여 다양한 스크리닝 방법들이 개발되고 있는 실정이다.

이번 연구는 이러한 한계점을 극복하기 위하여 시작하였으며, 나노바이오 융․복합 기술을 통해 새로운 방법을 모색하였다. 그 결과, 단백질(도파민 수용체) 대량 생산 및 고순도 분리 정제 기술과, 나노하이브리드 제조 원천기술을 활용한 바이오센서 기술을 접목, 기존의 세포기반 신약 스크리닝 분석기법을 대체할 새로운 바이오 전자센서를 개발하게 됐다.

이 연구결과는 순도 높은 단백질 및 나노하이브리드 트랜지스터를 결합해 기존의 전통적인 세포기반의 분석법들을 대체할 기술이다. 신약개발 및 약물전달 연구에 있어 획기적인 비용감소 및 목표물질에 대한 정량/정성 분석이 가능할 것으로 기대된다.

뿐만 아니라, 이러한 원천기술은 마약과 같은 사회에 해를 끼치는 물질 탐지, 암 및 특이질환에서 발견되는 지표물질 인지 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 특히 기존기술에 대비하여 상용화 및 실용화 측면에 있어서 안정성, 재현성 향상 등 한 단계 더 나아갔다고 평가 할 수 있다.

이번 연구결과는 나노과학분야의 세계적 학술지 에이시에스 나노 (ACS Nano, IF : 13.334)誌 온라인판(논문명 : Dopamine Receptor D1 Agonism and Antagonism Using a Field-Effect Transistor Assay) (6월 8일)에 게재됐다.

고 순도 정제된 도파민 리셉터가 결합된 나노하이브리드 트랜지스터의 모식도.

연구 성과는 미래부에서 주관하는 뇌과학원천기술개발사업 및 보건복지부에서 주관하는 보건의료기술연구개발사업 등에서 지원받아 진행됐다.

생명연 권오석 박사는 “최근 우리나라 R&D 분야 중 가장 이슈가 되고 있는 분야 중의 하나인 신약 개발에 대한 연구는 많이 진행되고 있지만 개발에 드는 막대한 시간 및 비용을 줄이는 방법에 대한 연구는 미미하다”면서, “하지만, 본 연구에서 소개된 고순도 정제된 수용체가 결합된 나노하이브리드 트랜지스터 기반의 바이오센서 제조 원천기술이 상용화 된다면, 기존 세포기반의 신약 스크리닝 방법을 대처할 수 있으며 시간과 비용을 줄여 우리나라 신약 개발 산업의 국제적 경쟁력을 강화 할 수 있는 계기가 될 것으로 생각한다”라고 설명했다.

이번 연구를 공동수행한 생명연의 권오석 및 박선주 박사는 전도성 나노구조체 제조분야의 권위자인 서울대 장정식 교수의 제자이며, 양희홍 박사과정은 후각 수용체를 비롯한 막 수용체 제조 분야 권위자인 서울대 박태현 교수의 제자로서 현재도 다양한 공동연구를 진행하고 있다.

<분야별 개발 주요 내용>

▲ 바이오 재료 – 서울대 박태현 교수

이번에 개발된 바이오 재료와 관련 기술 중 특이점은 구조가 매우 복잡하고 이종세포에서의 발현이 매우 어려운 것으로 알려져 있는 도파민 수용체를 대장균 시스템에서 대량으로 생산 후 분리 정제 및 구조형성 하는데 성공한 것이 이전 기술들과 가장 큰 차이점이다.

이렇게 생산 후 분리 정제 과정을 거쳐 고 순도로 정제된 단백질은 매우 민감하게 반응을 하며, 특히 본 연구에서 개발된 고 순도 정제 도파민 수용체는 도파민 작용물질 및 대항물질에 강한 선택적 반응을 보인다.

▲ 나노재료 – 생명연 권오석 박사 및 서울대 장정식 교수

기존의 탄소나노튜브는 전기화학 센서에서 우수한 성능을 보여주고 있지만, 그 표면이 도파민과 물리적 흡착이 발생함으로써 도파민 검출용 전기화학 센서로써 한계가 있었다.

연구팀은 기존에 보유 기술인 고온․고압을 이용한 저분자 박막 형성 기술을 응용하여(화학기상증착법) 탄소나노튜브 표면에 수 나노미터의 두께로 전도성고분자를 나노 박막 형태로 제조하는데 성공하였다. 이렇게 제조된 나노하이브리드는, 전도성고분자 나노박막이 코팅된 탄소나노튜브로, 우수한 전기적 물성 및 다양한 표면 기능화가 가능하게 됐다.

▲플랫폼 개발 - 생명연 권오석 박사 및 서울대 장정식 교수

도파민 수용체와 전도성 고분자 나노하이브리드를 제조해 기판 위에 결합, 신약 스크리닝이 가능한 단백질 기반의 플랫폼을 개발했다.

이 플랫폼은 도파민 분자에 대해서 매우 감응성이 높았으며, 도파민에 대한 정량적인 반응을 볼 수 있으며, 도파민 수용체에 대한 작용물질 및 대항물질 특성까지 모두 분석할 수 있다는 점에서 가장 큰 의의를 가진다.

■ 용어설명

# 도파민 (dopamine)

인간의 중추신경계 내에서 억제작용을 하는 대표적인 신경전달물질로 사람의 행복, 기억, 인지, 운동 조절 작용 등 뇌의 다양한 기능과 연관이 있다. 도파민이 부족해지면 파킨슨 병처럼 움직임이 둔해지고 불안정해지기도 하고, 도파민 분비가 많아지면 의욕과 흥미를 느끼기 쉬워진다. 우리가 잘 알고 있는 약물중독, 마약중독등도 이러한 도파민 수치의 조절장애가 일어나면서 발생하는 것이다.

# 도파민 수용체 (dopamine receptor)

세포막에 발현되어있는 막 단백질로 그 구조가 매우 복잡하고 소수성이 매우 강해 이종세포, 특히 대장균을 이용한 생산이 극히 어려운 것으로 알려져 있다. 연구진은 유전자 재조합 기술을 이용하여 인간 도파민 수용체 유전자를 클로닝 했고 단백질 배양 및 발현용 플라스미드의 최적화를 통하여 대장균 시스템을 이용한 대량 발현에 성공했다. 또한 이를 분리 및 정제과정의 최적화를 통하여 순도 높은 도파민 수용체를 확보했으며, 구조형성 최적화를 통해 단백질의 올바른 구조를 형성한 뒤 전계효과 트랜지스터와 결합 시켰다.

# 전계효과 트랜지스터 (field-effect transistor: FET)

이번 연구에 활용된 단백질(도파민 수용체)이 결합된 나노하이브리드 트랜지스터를 활용한 분석법은 전계효과트랜지스터 원리에 기반을 두고 있다. 이는 전력소모도 매우 적어서 고집적 디지털 및 아날로그 반도체에 폭넓게 사용되고 있는 기술이다.

일반적으로 소스 (source, S), 드레인 (drain, D), 그리고 게이트 (Gate, G)로 이루어진 반도체 소자의 구동원리를 설명할 때 활용된다. 작동 원리는 게이트의 입력전압에 의해서 트랜지스터의 두 단자 사이에 흐르는 전류가 조절되는 원리이다. 즉, 여기서 사용된 도파민 수용체가 결합된 전도성 고분자 나노하이브리드가 트랜지스터이며, 도파민 수용체와 도파민의 결합이 게이트 역할로써 활용이 됐다.

# 화학기상증착법(chemical vapor deposition)

고온 및 고압으로 저분자들을 기체화해 원하는 기판에 얇은 박막을 형성하는 기술.

도파민 리셉터가 결합된 나노하이브리드 트랜지스터 기반의 도파민 작용물질 및 대항물질에 대한 분석 그래프.

박희범 과학기술전문기자  snews@s-news.kr

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#한국생명공학연구원#서울대#바이오전자세서#장규태원장#

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