%eb%82%98%ec%84%a0%ed%98%95
-
암세포 스스로 ‘여기 있다’ 알리게 한다...면역·유전자 치료 한 번에
암세포는 면역세포의 눈을 피해 숨어 살아남는다. 우리 대학 연구진이 암세포가 스스로 ‘여기 있다’는 위험 신호를 보내 면역세포의 공격을 유도하고, 동시에 유전자 치료제까지 전달하는 새로운 항암 플랫폼을 개발했다. 면역항암과 유전자 치료를 하나의 나노입자로 구현한 새로운 치료 전략으로 기대된다.
우리 대학은 생명화학공학과 김유천 교수 연구팀이 암세포 내부에 강한 스트레스를 일으켜 면역원성 세포사멸을 유도하고, 다양한 유전자 치료제를 세포 안까지 전달하는 ‘나선형 폴리펩타이드 나노입자’ 플랫폼을 개발했다고 28일 밝혔다.
면역원성 세포사멸은 암세포가 죽으면서 주변 면역세포에 위험 신호를 보내 공격을 유도하는 현상이다. 폴리펩타이드는 아미노산이 길게 연결된 고분자 물질을 뜻한다.
우리 몸의 면역세포는 바이러스나 세균 같은 외부 침입자는 효과적으로 제거하지만, 암세포는 다양한 면역 회피 전략을 이용해 면역세포의 감시를 피한다. 이 때문에 면역세포가 암세포를 적으로 인식하지 못하는 현상은 항암 치료의 가장 큰 한계 가운데 하나였다.
최근에는 나노입자를 이용해 암세포에 약물과 유전자를 전달하고 면역반응을 활성화하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 나노소재의 어떤 특성이 세포에 스트레스를 유도하고 항암 면역반응을 활성화하는지는 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 다양한 나노입자를 비교·분석한 결과, 나노소재의 성분뿐 아니라 나선형으로 감긴 모양이 치료 효과를 결정하는 핵심 요소라는 사실을 확인했다. 특히 양전하를 띠는 4차 아민(세포막과 잘 결합하는 화학 구조)과 나선형 구조가 결합하면 마치 나사처럼 세포막을 파고들어 암세포 내부까지 쉽게 들어갈 수 있었다. 반면 같은 성분이라도 나선형으로 감기지 않은 입자는 세포 안으로 거의 들어가지 못했고, 면역반응도 유도하지 못했다.
연구팀이 개발한 나선형 나노입자는 일반 세포보다 막의 전기적 특성이 다른 암세포를 우선적으로 찾아 침투한다. 이후 세포의 발전소 역할을 하는 미토콘드리아와 여러 세포 소기관의 막을 교란해 암세포에 극심한 스트레스를 가한다.
극심한 스트레스를 받은 암세포는 죽어가면서 ‘여기 위험한 세포가 있다’는 구조 신호인 손상 연관 분자 패턴(DAMPs, Damage-Associated Molecular Patterns)을 주변으로 방출한다. 이를 감지한 면역세포는 그동안 숨어 있던 암세포를 적으로 인식하고 공격을 시작한다. 즉, 암세포가 스스로 자신의 위치를 면역세포에 알리도록 만든 것이다.
이번 나노입자는 면역반응을 일으키는 데 그치지 않고 유전자 치료제를 실어 나르는 운반체 역할도 수행했다. 일반적으로 메신저 리보핵산(mRNA, 단백질을 만드는 유전 정보)과 작은 간섭 리보핵산(siRNA, 특정 유전자의 발현을 억제하는 유전 물질)은 세포 안으로 전달하기 어렵지만, 연구팀이 개발한 나노입자는 이를 세포질까지 효과적으로 전달했다.
연구팀은 여기에 구아니디늄(Guanidinium, 유전자와 강하게 결합하는 화학 작용기)을 최적의 비율로 도입해 혈액 속에서도 입자가 쉽게 분해되지 않으면서 유전자 치료제를 안정적으로 운반하도록 설계했다.
연구팀은 흑색종과 대장암 생쥐 모델에서 면역 회피 단백질인 PD-L1(Programmed Death-Ligand 1)을 억제하는 siRNA를 나선형 나노입자에 탑재해 투여했다. 그 결과 종양 성장이 약 70~80% 억제됐으며, 암세포를 직접 공격하는 세포독성 T세포도 종양 내부로 많이 침투해 항암 면역반응이 크게 증가한 것으로 확인됐다.
김유천 교수는 "이번 연구는 나노소재가 단순히 치료제를 전달하는 것을 넘어 암세포가 스스로 면역반응을 일으키도록 만드는 새로운 항암 플랫폼을 제시했다”며 "면역항암과 유전자 치료를 결합한 차세대 치료기술 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
제1저자인 이수삼 박사는 "나노소재의 성분뿐 아니라 나선형 구조 자체가 치료 효과를 결정하는 핵심 요소임을 규명했다”며 "이번 연구가 차세대 면역항암 나노소재 설계의 새로운 기준이 되기를 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 이수삼 박사가 제1저자로 참여했으며, 바이오소재 분야 세계적 권위의 국제학술지 바이오머터리얼즈(Biomaterials)에 2026년 5월 28일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Helical quaternary amine polypeptide programs membrane stress to drive immunogenic cell death and cytosolic gene delivery for cancer immunotherapy, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2026.124337
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 중견연구지원사업, 보건복지부 한국보건산업진흥원(KHIDI)의 의과학자해외연수사업, 교육부의 기초과학연구역량강화사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.07.28 조회수 1865 -
카이랄 과학 혁신으로 암질환 치료제부터 인공효소까지
많은 약물은 카이랄 분자로 이루어져 있고 카이랄 분자의 두 거울상(이성질체)은 서로 다른 생물학적 효과를 가질 수 있다. 예를 들면, 하나의 형태는 의학적 효과를 가져올 수 있지만 다른 형태는 독성을 가져올 수 있다. 암 치료 사용 약물은 특정 암세포에만 작용되도록 설계되어 있는데 카이랄성을 활용하면 특정한 형태 약물을 선택적으로 전달할 수 있어 부작용을 줄이고 효과를 극대화할 수 있다. 이런 카이랄성 원리를 통해 암 질환 치료를 위한 약물 전달 등 다양한 분야에서 응용이 가능한 분자과학의 새로운 기술이 개발되었다.
우리 대학 화학과 이희승 교수 연구팀이 원자 수준의 정밀도 로 극미세 나선형 카이랄 통로를 만드는 방법을 발표했다고 19일 밝혔다. 이 통로는 인간 머리카락 직경의 약 5만분의 1에 해당하며, 그 특별한 나선 형태 때문에 특정 분자와만 세밀한 상호작용이 가능하다. 이 기술은 약물의 효율적인 개발부터 첨단 소재 설계에 이르기까지 혁신적인 응용을 가능하게 한다.
연구팀은 자연의 카이랄성 원리에 착안해, 짧은 비천연 펩타이드(아미노산으로 이뤄진 단백질 조각)와 구리 클러스터(다발)를 이용해 규칙적인 나선형 채널을 가진 금속-펩타이드 네트워크를 성공적으로 합성했다. 특히, 연구팀은 카이랄 채널의 세밀한 구조 조절로 이 금속-펩타이드 네트워크가 특정 카이랄성 분자에만 상호작용을 가능하게 만들었으며, 단결정 분석을 통해 이러한 복잡한 상호작용 원리를 명확히 규명했다.
이번 연구에서 연구팀은 기존에 알려진 금속-유기 프레임워크와는 달리, 폴대머(비천연 펩타이드) 기반의 방법을 도입해 3차원 구조 내에서 분자와의 상호작용을 더욱 세밀하게 제어할 수 있는 기술을 선보였다. 이는 분자 공학과 첨단 소재 분야에 새로운 지평을 열 것으로 전망된다.
원자 단위로 정의된 카이랄 채널의 제작은 다양한 분야, 특히 카이랄 촉매, 카이랄 광학센서, 암 질환 치료를 위한 약물 전달 등, 다양한 분야에서의 혁신적인 기술적 발전을 기대하게 한다.
연구를 주도한 이희승 교수는 “이번 연구는 세포막 채널 단백질 또는 효소의 활성부위에서 분자의 기질 특이적 상호작용을 인공적으로 재현하는 노력의 일환으로 시작되었으며, 복잡한 미세 상호작용이 가능하도록 다양한 기능기를 원하는 3차원 위치에 모듈식 치환을 통해 도입할 수 있는 청사진을 제시한 의의가 있다” 고 전하며 “앞으로 약물 전달, 고분자 및 나노기술에 응용이 가능하며 특정 카이랄 반응에 반응하는 인공효소 개발을 위한 핵심 기술로 간주될 것으로 기대된다”며 소감을 밝혔다.
화학과 김재욱 석박사통합과정이 제1 저자로 주도한 이번 연구는 화학소재 분야 최정상급 학술지인 `어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, ISSN: 0935-9648 print, 1521-4095 online, Impact Factor: 29.4)' 9월 18일 字 온라인판에 발표됐다.(논문명: Tailoring Enantiomeric Chiral Channels in Metal-Peptide Networks: A Novel Foldamer-Based Approach for Host-Guest Interactions, https://doi.org/10.1002/adma.202305753)
이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터사업(멀티스케일 카이랄구조체 연구센터, CMCA)의 지원으로 진행됐다.
2023.10.19 조회수 20415 -
빛 이용 나선형 구조체 방향조절 기술 개발
김 상 율 교수
우리 대학 화학과 김상율 교수, 서명은 교수 연구팀이 빛의 파동을 이용해 특정한 방향으로 꼬인 나선형 나노 구조체를 형성하는 데 성공했다.
연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 23일자 온라인 판에 게재됐다.
키랄성이란 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 거울에 비친 형태를 가지는 물질을 말한다. 키랄성 물질은 돌리고 방향을 바꾸어도 서로 겹칠 수 없는 구조적 특성을 갖는다. 자연에 존재하는 DNA나 단백질 등을 구성하는 분자들은 이 중 한쪽 형태로만 이루어져 있다.
다량의 특정 키랄성 물질이 자연계에 존재하는 이유는 명백히 밝혀지지 않았다. 한 가지 가설은 유기 물질이 처음 생성될 시점에 우주로부터 나선을 따라 진동하는 빛의 파동인 원편광이 쬐어져, 원편광의 나선 방향이 유기 물질에 전달되어 한쪽 키랄성을 갖는 분자가 보다 많이 만들어 지게 됐다는 것이다.
연구팀은 이 가설에 입각해 원편광의 키랄성이 비키랄성 분자에 전달 및 증폭이 가능한지 알아보기 위해 빛에 반응하는 비키랄성 분자를 이용했다.
그리고 비키랄성 분자에 오른원편광, 왼원편광을 따로 노출시켜 분자들이 원편광의 방향에 따라 다른 방향의 나선을 그리며 쌓이는 것을 확인했다. 기존의 방법으로 나선형 구조체를 만들 때 반드시 키랄성 분자가 필요했던 것을 뒤집는 결과가 나온 것이다.
이처럼 단순히 특정 방향의 원편광을 비추는 것만으로 원하는 방향의 나선형 구조체를 만들 수 있고, 다시 반대 방향의 원편광을 비추면 나선의 방향을 뒤집는 것 또한 가능하다는 것을 증명했다.
뿐만 아니라 광중합을 이용해 나선형 구조체를 굳히는 방법을 개발해 구조체의 제작부터 방향을 고정시키는 전 과정을 빛을 이용해 제어하는 데 성공했다.
김상율 교수는 “원평광의 방향에 따라 비키랄성 분자의 자기조립 경로가 좌우되고, 자기조립을 통해 키랄성이 증폭되므로 결국 원편광의 방향이 나선 방향을 결정할 수 있다는 것이다”며 “키랄성의 기원에 대해 흥미로운 가능성을 제시하고 있다”고 말했다.
연구팀은 키랄성 센서를 만들거나 키랄성 분자를 분리하는 등의 응용 분야에 개발된 나선형 나노 구조체가 유용하게 사용될 것으로 전망했다.
한국연구재단 중견연구자 지원사업과 선도연구센터 육성사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 김상율 교수와 서명은 교수가 교신 저자로, 김지성 학생이 제1저자로 참여했다.
□ 그림 설명
그림1. 빛에 의해 형성된 나노 구조체의 주사전자현미경 사진
그림2. 전체 실험과정 모식도
2015.04.30 조회수 15734 -
휴대용 음향카메라 개발
- 세계 3대 디자인 공모전 ‘레드 닷 디자인 어워드’ 수상 -
우리 학교 산업디자인학과 배석형 교수가 ㈜에스엠인스트루먼트 및 ㈜현대자동차와 공동으로 개발한 세계 최초의 ‘휴대용 음향카메라’가 세계 3대 디자인 공모전 중 하나인 레드 닷 디자인 어워드(Red Dot Design Award)의 제품디자인 부문 수상작으로 선정됐다.
자동차 운전자라면 한번쯤 원인을 알 수 없는 소음 때문에 골머리를 앓은 경험이 있을 것이다. 자동차를 비롯한 공업제품에서 비정상적인 소음이 발생하면 설계의 오류나 부품의 마모, 파손 등 다양한 문제가 있을 수 있는데 소음이 발생하는 위치를 사람의 청각으로 정확하게 찾아내기는 쉽지 않다.
이러한 상황에서 유용하게 쓰일 수 있는 장치가 음향카메라다. 열 감지 카메라가 온도의 분포를 색으로 표현하듯이 음향카메라는 마이크로폰 배열을 이용해 측정한 소리의 분포를 색으로 표현해 소음원의 위치를 보여준다.
하지만 기존의 음향카메라는 크고 무거울 뿐만 아니라 조립 및 설치 방법이 복잡하고 삼각대 위에 고정된 상태로만 사용할 수 있어 설치가 어려운 좁은 공간이나 자동차의 바닥면 등은 측정이 불가능한 경우가 많았다.
이번에 개발된 휴대용 음향카메라는 가로 39cm × 세로 38cm, 무게 1.78kg으로 크기와 무게가 기존 제품에 비해 각각 40%, 30%에 불과해 사용자가 자유롭게 들고 움직이면서 측정대상을 탐색할 수 있다.
다섯 가닥의 나선형으로 배치된 30개의 마이크로폰과 고해상도 카메라는 공업제품의 개발 및 수리 과정에서 중요한 350Hz~12kHz 주파수 대역의 소음의 분포를 이미지와 합성해 사용자에게 직관적으로 보여주며 동영상으로 저장할 수도 있다.
새로 개발된 제품은 기존의 제품과는 달리 일체형으로 측정에 앞서 마이크로폰을 조립하는 불편을 해소했다.
가운데 손잡이는 인체공학적으로 설계되어 사용자가 한 손으로도 음향카메라의 무게를 안정적으로 지탱할 수 있다. 또 받침대 역할을 하기도 하는 양 옆의 손잡이는 두 손을 이용해 다양한 방식으로 음향카메라를 잡을 수 있도록 설계되어 좁은 공간이나 바닥면 등도 사용자가 무리한 자세를 취하지 않고 측정할 수 있다.
현대자동차 남양연구소 이강덕 NVH 연구위원은 “지난 2월부터 휴대용 음향카메라를 신차 개발단계에서 다양하게 활용하고 있다”며 “한 손으로 들 수 있을 만큼 작고 가볍기 때문에 기존의 음향카메라로는 비추기 어려웠던 부분도 자유롭게 탐색할 수 있고 혼자서도 사용할 수 있어 작업 과정이 크게 향상됐다”고 말했다.
배석형 교수는 국제 디자인 공모전 수상과 관련해 “첨단 기술에 디자인 요소를 효과적으로 결합한 점을 인정받았다”며 “과학기술에 대한 수준 높은 이해가 가능한 KAIST 산업디자인학과의 역량을 보여준 좋은 사례”라고 말했다.
한편, 소음진동 전문기업 ㈜에스엠인스트루먼트는 지난 2006년 KAIST 창업보육센터에서 시작, 2년 만에 독자적인 기술력을 확보해 자립했으며 끊임없는 변화와 혁신을 통해 국가 소음진동 기술 발전에 기여하고 있다.
그림1. 레드 닷 디자인 어워드에서 수상한 휴대용 음향카메라 SeeSV-S205
그림2. 휴대용 음향카메라를 이용해 소음이 발생하는 위치를 찾는 모습
그림3. 휴대용 음향카메라를 이용해 자동차의 소음을 측정한 이미지
2013.04.04 조회수 22425