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거대 단백질 구조체를 레고 블록 쌓듯 조립하는 기술 개발
우리 대학 생명과학과 김학성 교수와 배진호 박사팀이 거대 (초분자) 단백질을 레고 블록 쌓듯 조립할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 이 방법으로 단백질 구조체의 크기 및 작용기 수를 원하는 대로 조절할 수 있고 메가 달톤(dalton) 크기의 대칭형 거대 단백질 구조체를 조립할 수 있다. 거대 단백질 구조체는 효율적인 약물 전달, 다양한 백신 개발, 그리고 질병 진단에 활용될 것으로 기대된다.
이번 연구 성과는 국제 저명 학술지인 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' (IF: 16.806)에 2021년 11월 1일 字 온라인 발표됐다. (논문명: Dendrimer-like supramolecular assembly of proteins with a tunable size and valency through stepwise iterative growth)
자연계에는 매우 다양한 특성과 기능을 갖는 단백질이 존재하며 생명현상을 유지하는데 핵심 역할을 한다. 이러한 단백질 중에는 단량체가 큰 구조체 형태로 조립됐을 때만 정상적 기능을 수행하거나, 어떤 경우에는 조립된 경우가 단량체와 완전히 다른 특성을 나타내며, 심지어는 심각한 질병을 유발하는 경우도 많다.
예를 들어 바이러스의 껍질인 켑시드는 단백질 단량체가 조립(assembly)된 것이고, 치매는 아밀로이드 펩타이드나 타우(tau) 단백질이 파이브릴(fibril) 형태로 조립되면서 발생한다. 따라서, 거대(초분자) 단백질 구조체들의 조립 기작 이해는 단백질의 기능과 질병의 원인 규명 및 치료제 개발에 중요하다. 또한, 단백질 구조체는 뛰어난 생체 적합도 때문에 생명공학 및 의학 분야에서도 응용 가능성이 크다.
현재 많은 연구 그룹에서 자연계에 존재하는 단백질 구조체들의 조립 과정을 모방해 새로운 기능의 단백질 구조체 개발에 많은 연구를 진행하고 있다. 그러나 단백질의 구조적 다양성, 상이한 특성 및 큰 분자량 때문에 원하는 구조체를 자유자재로 조립하는 것은 아직도 어려운 과제로 남아 있다.
김학성 교수 연구팀은 두 종류의 빌딩(building) 블록 단백질을 코어(core) 단백질에 순차적으로 교대로 결합시킴으로써 간편하게 3차원 구조의 대칭형 거대 단백질 구조체를 조립하는 방법을 개발했다(그림 1). 즉, 서로 특이적으로 반응하는 두 쌍의 단백질과 리건드(P1/L1 과 P2/L2)를 이용해 코어(core) 단백질에 두 종류의 빌딩(building) 블록을 순차적, 반복적으로 결합함으로써 크기와 작용 기작 수를 조절하면서 메가 달톤 (Mega Dalton) 크기를 갖는 단백질 구조체를 쉽게 조립하였다.
개발된 구조체는 다양한 분야에 응용 가능하며 하나의 예로서, 이번 연구에서는 단백질 구조체에 박테리아 독소를 결합해 암세포 내로 고효율로 전달할 수 있었고, 결과적으로 암세포를 효과적으로 사멸했다(그림 2). 구조체 단백질의 특징인 다가 효과(avidity effect)로 인해 암 표적에 대한 결합력이 약 1,000배 이상 증가돼 암세포 사멸 효과가 획기적으로 증대됐고 이러한 특성은 백신 개발 및 질병 진단에도 응용될 수 있다.
제1 저자인 배진호 박사는 "이번 연구에서 개발된 거대(초분자) 단백질 구조체 조립 기술은 향후, 약물 전달, 백신 개발, 질병 진단 및 바이오센서 등을 포함한 광범위한 분야에서 새로운 플랫폼 기술로 활용될 수 있을 것ˮ이라고 말했다.
이번 연구는 한국 연구 재단의 중견 연구과제 (NRF-2021R1A2C201421811) 지원을 받아 수행됐다.
2021.11.19 조회수 2857 -
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 6659 -
김학성 교수, 빛에 의해 스위치처럼 작동하는 단백질 개발
〈 김 학 성 교수 〉
우리 대학 생명과학과 김학성 교수 연구팀이 빛으로 결합력을 제어할 수 있는 결합 단백질을 개발해 빛을 이용한 세포 신호전달 제어에 새 방법을 제시했다.
이는 제한적이었던 기존 광 제어 기술의 한계를 극복해 다양한 세포신호 전달 제어에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
허우성, 최정민 박사가 주도한 이번 연구는 앙케반테 케미(Angewandte Chemie) 6월 27일자 온라인 판에 게재됐다.
빛을 이용한 세포의 신호전달 조절은 물리, 화학적 방법보다 비 침습적이고 빠르기 때문에 신호전달 연구에 효과적으로 활용 가능하다.
그러나 지금까지는 자연에 존재하는 광 스위치 단백질에 의존했기 때문에 이 단백질들을 각각의 신호전달 조절에 맞도록 다시 설계해야 하는 복잡하고 힘든 과정으로 인해 응용이 극히 제한됐다.
최근에는 합성된 광스위치 분자를 단백질에 결합시켜 빛에 따라 그 기능을 조절하려는 연구가 진행됐다. 그러나 이 경우 빛에 따라 스위치처럼 작동하는 단백질의 설계방법이 단백질 종류에 따라 다르고 복잡하다는 한계가 있었다.
연구팀은 LRR(Leucine-rich repeat) 단백질을 기반으로 아조벤젠 유래 광 스위치 분자를 합리적 방법으로 단백질 모듈에 결합시켰다. 이를 통해 빛으로 단백질의 구조변화를 유도해 표적에 대한 결합력을 조절했다.
또한 빛에 의한 상피세포 성장인자 수용체(EGFR, epithelial growth factor receptor)에 대한 결합력 조절이 가능한 단백질을 개발하고, 이를 이용해 세포 내 EGFR 신호 전달을 빛으로 조절할 수 있음을 증명했다.
연구팀은 LRR 모듈로 구성된 단백질의 구조 특성을 기반으로 광스위치 분자를 반복 모듈 사이에 결합시켜 빛으로 표적에 대한 결합력이 효과적으로 조절되는 단백질의 합리적 설계 방법을 개발했다.
이는 다양한 표적에 대해 결합하는 LRR 단백질에 광범위하게 적용할 수 있는 기반 기술로, 빛을 이용한 세포 내 다양한 신호 전달 조절에 활용할 수 있는 새로운 단백질 창출 방법을 제시한 것이다.
이번 연구는 한국연구재단의 글로벌연구실사업(GRL)과 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. LRR 단백질 기반으로 합리적 설계를 통해 광스위치 단백질 개발 및 이를 이용한 세포 신호전달 조절
2018.08.13 조회수 7155 -
DNA 결합 단백질을 이용한 나노입자 클러스터 제작 기술 개발
우리 학교 생명과학과 김학성 교수와 류이슬 박사는 DNA 주형에 서열 특이적으로 결합하는 징크 핑거 (Zinc Finger) 단백질을 이용하여 크기 조절이 가능한 자성 나노 입자 클러스터 (Nanoparticle Clusters; NPCs)의 제작 방법을 새롭게 개발하여 국제적 권위의 학술지인 ‘앙게반테 케미 (Angewandte Chemie International Edition)’ 온라인 판에 발표하였다(2014년 11월 25일).
나노 입자 클러스터 구조체는 자성 나노 입자, 금 나노 입자, 양자 점과 같은 직경이 1~100 나노미터 (10-9 미터) 단위인 나노 입자들이 모여서 이루는 구조체를 말한다. 이 구조체는 단일 나노 입자와는 다른 독특한 집단적 특성을 가진다는 점에서 주목을 받고 있다.
구체적으로, 결합 플라즈몬 흡광도, 입자 간 에너지 전달, 전자 전달 및 전도성과 같은 광학적이거나 물리적인 성질이 다르다. 이러한 특성으로 인해 나노 입자 클러스터는 바이오 및 의료 분야 뿐 만 아니라 나노 전자 (nanoelectronic) 또는 나노플라즈몬 (nanoplasmon) 기기에 적용가능성이 매우 높다.
나노 입자 클러스터가 새로운 특성을 잘 나타내기 위해서는 클러스터의 크기와 조성이 정교하게 조절되어야 한다. 그러나, 기존의 방법은 주로 화학적인 결합에 의존하였기 때문에 복잡한 단계가 필요하고 크기와 조성을 조절하기 어렵다.
김 교수팀은 DNA 결합 단백질인 징크 핑거(Zinc Finger)를 이용하여 간단하고 용이하게 원하는 크기의 자성 나노 입자 클러스터를 제조하는 방법을 개발하였다. 징크 핑거 단백질은 DNA에 결합하는 단백질의 일종으로 구조상에 징크 이온 (Zinc ion)을 가지고 있으며 DNA 서열을 특이적으로 인식하여 결합하는 특성을 갖고 있다. 이러한 징크 핑거의 특성을 이용한 나노 입자 클러스터의 제작은 기존의 방법보다 생체 친화적이며 나노입자 클러스터의 크기와 조성이 잘 조절된다.
연구 결과 김 교수팀은 세 가지 길이가 다른 DNA를 주형으로 하여 징크 핑거 단백질을 이용하여 크기가 다른 자성 나노 입자 클러스터의 선형 구조체를 제작하였고, 만들어진 나노 입자 클러스터는 DNA 주형의 길이에 따라 크기와 형태가 잘 조절됨을 확인하였다.
제작된 자성 나노 입자 클러스터는 기존 MRI 조영제인 페리덱스 (Feridex)에 비해 3배 정도 향상된 T2 이완률 (T2 relaxation rate)을 보여주었고 특정 세포 내로 잘 전달되었다. 이러한 연구 결과는, 자성 나노 입자가 MRI 조영제, 형광 이미징, 약물전달 등 바이오 및 의료 분야에 활용 가능함을 보여준다.
김 교수팀의 연구는 단백질과 DNA의 특이적 결합 특성을 이용하여 무기물 나노 입자 (inorganic nanoparticle)의 초분자 집합체 (supramolecular assembly)를 간편하게 제작하는 새로운 방법으로 다른 나노 입자에 광범위하게 응용가능하며 향후 질병 진단과 이미징, 또는 약물 및 유전자 전달등 의 분야에 크게 활용될 것으로 기대된다.
그림 1. DNA 결합 단백질인 Zinc Finger를 이용한 나노입자 클러스터의 제작 모식도
그림 2. DNA 길이에 따른 자성 나노 입자 클러스터의 크기를 보여주는 전자투과현미경 사진
2014.11.26 조회수 11741 -
인공항체 기반 암 치료제 후보 개발
- 생명과학과 김학성 교수, Molecular Therapy에 표지 논문으로 발표
- 인공 항체 골격인 리피바디 기반 폐암 치료제 후보 개발- 리피바디 기반 단백질 신약 개발 가능성을 입증
우리 학교 생명과학과 김학성 교수는 충남대 의과대학 조은경 교수와 공동으로 인공 항체인 리피바디(Repebody) 기반 암 치료제 후보를 성공적으로 개발, 연구결과를 분자 치료(Molecular Therapy) 7월 호에 표지 논문으로 게재됐다.
김 교수팀은 암 유발 인자인 인터루킨-6 (Interleukin-6)와 강하게 결합하는 인공 항체인 리피바디를 개발했다. 또 리피바디가 비소 세포 폐암 동물 모델에서 암세포의 증식을 획기적으로 억제한다는 것을 확인했다.
많은 다국적 제약사 및 생명공학 기업들이 낮은 부작용과 높은 치료 효능을 갖는 단백질 치료제 개발에 천문학적인 연구비를 투자하고 있고 현재 20종 이상이 임상에 사용되고 있으며 100 여 종 이상이 임상실험 중이다. 이 중 항체 기반 치료제가 다수를 차지하고 있으며 많은 집중 투자가 진행되고 있다. 그러나 항체는 생산 비용이 매우 비싸고 큰 분자량과 복잡한 구조적 특성 때문에 설계가 어려우며 개발에 많은 시간과 비용이 소요된다.
이러한 기존 항체 기반 치료제의 한계점을 극복하고자, 김 교수팀은 신규 인공 항체 골격인 리피바디를 성공적으로 개발했다.(PNAS게재, 2012) 이를 기반으로 암 유발 인자인 인터루킨-6에 특이적으로 강한 결합력을 갖는 비소 세포 폐암 치료제 후보를 개발하는데 성공했다.
인터루킨-6는 면역 및 염증 관련 신호에 중요한 생체 내 물질로서, 비정상적으로 과 발현되는 경우에는 다양한 발암 경로를 활성화시켜 종양의 증식 및 전이를 촉진하는 것으로 알려져 있다. 이러한 중요성 때문에, 다국적 제약 업체들은 인터루킨-6에 의한 신호 전달을 억제할 수 있는 치료제 개발에 많은 연구를 집중하고 있다.
이번 연구에서 김 교수팀은 리피바디가 반복 모듈로 구성된 점에 착안, 질병 타겟에 대해 결합력을 효과적으로 증대시킬 수 있는 모듈 기반 친화력 증대 기술을 개발했다. 개발된 치료제 후보는 세포 및 동물 실험에서 낮은 면역원성과 비소세포 폐암의 증식을 탁월하게 억제한다는 것으로 확인됐다.
이와 함께 인터루킨-6와의 복합체 구조를 밝혀 리피바디의 작용기작을 규명해 치료제 개발 가능성을 입증했다. 김 교수팀은 현재 비 소세포 폐암 동물을 대상으로 임상 진입을 위한 전 임상 실험을 수행하고 있으며 향후 임상 시험을 통해 안정성 및 치료 효능을 입증해 단백질 신약으로 개발할 계획이다.
김 교수팀은 본 연구를 통해 인공항체 골격인 리피바디를 기반으로 단백질 신약을 개발할 수 있다는 것을 확인했고, 향후 국내의 단백질 신약 및 생명공학 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.
이번 연구결과는 미래창조과학부가 주관하는 미래 유망 파이오니어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. Molecular Therapy 7월 호 표지 논문 선정
그림 2. 동물 모델을 통한 리피바디의 암 성장 억제 효능 입증
2014.07.09 조회수 13836 -
단백질의 생체분자에 대한 결합력 조절기작 규명
우리 학교 생명과학과 김학성 교수와 서문형 박사 연구팀은 단백질이 생체 내 분자를 인식하고 기능을 수행하는데 중요한 단백질의 생체분자에 대한 결합력을 조절하는 메커니즘을 새롭게 밝혀냈다 .
연구 결과는 과학 분야의 권위지인 ‘ 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 24일자 온라인판에 게재됐다.
연구팀은 지난해에 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 최초로 밝혀내 Nature Chemical Biology 에 발표한데 이어 , 이번 연구를 통해 단백질이 생체분자에 대한 결합력을 조절하는 핵심 원리를 규명함으로써 생체 내 단백질의 기능과 조절 기작을 보다 명확하게 이해하는 데 크게 기여할 것으로 전망된다 .
효소나 항체 , 호르몬 등으로 대표되는 단백질은 모든 생명체 내에서 다양한 생체 분자를 특이적으로 인식하여 신호전달 , 면역반응 등을 정교하게 진행시켜 생명현상을 유지하고 조절하는데 가장 중요한 역할을 담당한다 . 이런 과정에서 단백질이 생체분자에 대한 결합력은 두 분자 사이의 결합지속 시간이 정해지고 , 단백질의 생체 내 기능을 결정하고 조절하는 핵심 요인이다 . 이번 연구 결과를 바탕으로 단백질 활성을 보다 정교하게 조절하는 것이 가능해질 것으로 예상된다 .
연구팀은 단백질들이 생체분자를 인식하는 과정에서 , 단백질의 생체분자에 대한 결합력은 두 분자 사이의 비 공유 상호작용의 크기뿐만 아니라 단백질의 고유한 동역학적 성질도 긴밀하게 연관되어 있다는 점에 주목했다 .
김 교수 연구팀은 단백질의 생체분자에 대한 결합력을 결정하는 기본 기작을 규명하기 위해 , 단백질의 allosteric site 에 돌연변이를 가하여 동일한 화학적 접촉면을 가지고 있지만 수십 배에서 수백 배의 결합력 차이를 보이는 다양한 돌연변이 단백질을 제작하였다 . 단백질의 allosteric site 는 생체분자와 직접 결합하는 부위는 아니지만 생체 분자 인식에 영향을 미치는 부위를 지칭한다 .
제작된 돌연변이 단백질들의 고유한 동역학적 성질을 단 분자 수준에서 실시간으로 분석하여 , 생체분자에 대한 결합력이 단백질의 고유한 동력학적 특성인 구조 열림 속도에 직접적으로 연관되어 있음을 밝혀냈다 .
또한 , 단백질이 생체 분자와 직접 결합하는 부위가 아닌 allosteric site 에서 단백질의 고유한 특성을 변화시킬 수 있음을 증명함으로써 , 생체 내 단백질들의 기능을 조절하는 새로운 방법론을 제시하였다 .
연구팀의 이번 결과는 다양한 생명현상을 관장하는 단백질의 특성을 보다 깊이 이해하는데 큰 역할을 하였으며 , 단백질의 생체분자에 대한 결합력을 결정하는 원리를 단백질의 동력학적 관점에서 입증한 것으로 평가되고 있다 .
김 학성 교수는 이번 연구에 대해 “ 지금까지는 단백질의 생체분자에 대한 결합력은 두 분자 사이의 직접적인 상호작용에 의해 결정되는 것으로 알려져 왔지만 , 본 연구를 통해 단백질의 고유한 동력학적 특성 , 즉 구조 열림 속도도 결합력을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다는 새로운 사실을 밝힌 것이 큰 의미가 있다 ” 라고 의의를 밝혔다 .
그림 1. 단백질의 안정한 상태인 열린 구조 (open) 와 불안정한 상태인 부분적으로 열린 구조 (partially closed) 사이의 전환 속도 (kopening; opening rate) 와 결합력 (Kd) 사이의 상관관계 그래프
2014.04.25 조회수 13037 -
단백질의 생체분자 인식 메커니즘 규명
- “단백질이 생체분자를 인식하고 결합하는 기작을 규명해 50년 동안의 수수께끼 풀었다” - - 생명현상의 이해와 효능이 높은 치료제 개발에 활용 가능성 기대 -
우리 학교 생명과학과 김학성 교수가 서울대학교 물리학과 홍성철 교수와 공동으로 단백질이 생체 내 분자를 인식하고 결합하는 메커니즘을 규명했다.
연구 결과는 생명과학분야의 권위지인 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)’ 3월 18일자 온라인 판에 발표됐다.
단백질이 생체분자를 인식하고 결합하는 메카니즘을 밝혀낸 이번 연구로 인해 단백질의 조절기능을 보다 정확하게 파악할 수 있게 돼 앞으로 복잡한 생명현상을 이해하는데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
이와 함께 단백질의 생체분자 인식은 각종 질병의 발생과도 밀접하게 연관돼 있어 향후 효능이 높은 치료제 개발에도 기여할 것으로 전망된다.
핵산, 단백질 등으로 알려진 생체분자는 생물체를 구성하거나 생물의 구조, 기능, 정보전달 등에도 꼭 필요한 물질이다.
특히, 단백질은 생체분자를 특이적으로 인지하고 결합하면서 모든 생명현상을 조절해 생명현상을 유지하는데 가장 중요한 역할을 한다. 단백질의 생체분자 인식에 오류가 발생하면 비정상적 현상으로 각종 질병이 유발되기도 한다.
연구팀은 단백질이 다양한 구조를 갖는데 구조적으로 가장 안정한 ‘열린 구조’와 상대적으로 불안정한 ‘부분 닫힘 구조’를 반복한다는 점에 주목했다.김 교수 연구팀은 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 설명하기 위해 생체분자가 결합하면서 단백질의 구조가 변하는 현상을 단 분자 수준에서 실시간으로 분석했다.
연구결과 생체분자는 가장 안정된 구조의 단백질을 주로 선호하며 결합과 동시에 단백질을 가장 에너지 수준이 낮은 안정된 구조로 변화시킨다는 사실을 세계 최초로 규명했다.
이와 함께 생체분자는 불안정한 ‘부분 닫힘 구조’에도 결합해 단백질 구조를 변화시킨다는 사실도 밝혀냈다.
연구팀의 이번 결과는 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 설명하기 위해 현재까지 제안된 모델인 단백질이 생체분자와 결합하면서 구조가 변한다는 ‘유도형 맞춤 모델’과 단백질의 다양한 구조 중에서 최적의 하나만을 선택적으로 인지한다는 ‘구조 선택 모델’에 대해 처음으로 실험을 통해 완벽히 입증해 낸 것으로 학계는 평가하고 있다.
김학성 교수는 이번 연구에 대해 “생체분자가 존재하는 경우 단백질의 구조 전환 속도가 변하는 현상을 단 분자 수준에서 분석해 단백질의 생체분자 인식 메카니즘을 처음으로 직접 증명한 것”이라며 “생물 교과서에 50년 동안 가설로만 인식되어지던 것을 세계 최초로 실험으로 증명해 풀리지 않을 것만 같았던 수수께끼를 풀어냈다”고 의의를 밝혔다.
그림1. 열린 구조와 부분적으로 열린 구조를 갖고 있는 단백질이 생체분자를 인지하고 결합하는 양상
그림2. 단백질의 다양한 구조 중에서 가장 안정한 상태인 열린 구조(open form)에 생체분자(ligand) 가우선적으로 결합해 더욱 안정한 완전히 닫힌 구조(closed form)로 변함. 또한 단백질의 불안정한 구조(partially closed form)에도 생체분자가 결합해 완전히 닫힌 구조로 변하게 함.
2013.03.21 조회수 10688 -
김학성 칼럼, 도전을 두려워하지 말자!
김학성 생명과학과 교수가
중도일보 2012년 3월 20일(화)자 칼럼을 실었다.
제목: 도전을 두려워하지 말자!
신문: 중도일보
저자: 김학성 생명과학과 교수
일시: 2012년 3월 20일(화)
기사보기 : 도전을 두려워하지 말자!
2012.03.20 조회수 7118 -
순수 국내기술로 단백질 신약 개발한다!
- KAIST 김학성 교수, 의약품 원료로 사용되는 인공항체 개발 성공 -
- PNAS(미국국립과학원회보)에 2월 10일 발표 -의약품 원료로 사용되는 인간유래 항체를 대체할 수 있는 인공항체가 국내연구진에 의해 개발됐다. 가격은 현재보다 1/100수준으로 저렴하면서 개발이 훨씬 쉬워 개발기간은 기존 10년에서 5년 이내로 크게 단축될 것으로 기대된다.
우리 학교 생명과학과 김학성 교수가 바이오 및 뇌공학과 김동섭 교수와 공동으로 항체가 아닌 단백질을 재설계해 대장균에서 대량생산할 수 있는 인공항체개발에 성공했다.
개발된 인공항체는 항원과의 결합력, 생산성, 면역원성, 구조설계성 등이 용이해 장점만 갖춘 이상적인 단백질로 평가받고 있으며, 현재 치료제의 원료나 진단, 분석용으로 사용중인 항체를 그대로 대체 가능하다. 따라서 세계시장 규모가 192조원에 이르는 단백질 의약품 분야에서 앞으로 순수 국내기술로 개발된 단백질 신약이 세계시장을 주도할 수 있을 것으로 전망된다.
의약품 원료로 병원에서 사용되고 있는 기존의 항체는 치료제뿐만 아니라, 분석, 진단용 등 생명공학 및 의학 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 그러나 동물세포 배양을 포함해 복잡한 생산 공정을 통해 제조되기 때문에 1mg에 100만원 정도로 가격이 매우 비싸다. 또 대부분의 항체는 이미 해외 선진국의 특허로 등록돼 있어 비싼 로열티를 지불해야 한다.
이 때문에 우리나라를 포함한 많은 국가에서 이미 특허가 만료된 항체 의약품을 복제하는 바이오시밀러를 개발하는데 집중하고 있고, 질병에 대한 단백질 신약개발 분야는 선진국에 한참 뒤처지는 실정이다.김 교수팀은 먹장어나 칠성장어와 같은 무악류에 존재하는 단백질은 항체는 아니지만 항체처럼 면역작용을 한다는 사실에 착안해 이 분야 연구를 시작했고 마침내 인공항체 개발에 성공했다.
인공항체는 대장균에서 대량생산이 가능해 현재보다 1/100 수준의 싼 가격으로 만들 수 있으며, 모듈구조로 되어 있어 목적에 따라 자유롭게 구조 설계가 가능해 5년 내에 단백질 신약으로 개발 가능한 게 큰 특징이다.
이와 함께 단백질 신약개발에서 중요한 항원과의 결합력을 쉽게 조절할 수 있어 치료 효과가 높고 부작용이 적으며, 열과 pH(수소이온농도)에 대한 안정성이 매우 높고, 면역반응을 유도할 수 있는 면역원은 무시할 만한 수준으로 낮아 단백질 신약으로의 개발 가능성이 매우 높다.
연구팀이 개발한 인공항체 기술은 세포 분석을 통해 폐혈증과 관절염 치료제로서의 후보군으로 효과를 입증했으며 곧 동물실험을 수행할 예정이다.
김학성 교수는 “기존 항체는 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합강도를 높이는 것과 구조 설계가 매우 어려운 단점이 있다”며 “장점만을 갖춘 이상적인 특성의 인공항체는 현재 의약품 원료로 사용되는 항체를 대체할 수 있는 순수 국내 기술로 만들어진 단백질 신약이 될 것”이라고 말했다.
아울러 “개발된 인공항체 단백질 골격과 단백질 설계 기술은 생명공학 및 의학 분야에서 치료, 진단, 분석용 등으로 광범위하게 활용될 것으로 기대 된다”고 덧붙였다.
한편, 이 연구결과는 세계적 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 2월 10 일자에 발표됐으며, 교육과학기술부가 주관하는 미래 유망 파이오니어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
<용어설명>○ 항원: 체내에 유입된 외부 물질로 이물질로 인식되어 항체를 생성하는 면역 반응을 유발함
○ 항체: 항원에 특이적으로 결합하여 이를 제거하거나 무력화시키는 면역 관련 단백질
○ 면역원성: 사람이나 동물의 체내에 접종되었을 때, 면역 반응을 유발할 수 있는 항원으로서의 특성
○ 바이오시밀러: 치료 효능이 있는 항체나 호르몬 등을 의미하는 특허가 만료된 단백질 의약품의 복제약품
○ 무악류: 고생대 전기의 초기 어류로서 위, 아래 양 턱이 발달하지 않은 척추동물로 칠성장어와 먹장어가 대표적임
○ 모듈구조: 특정 단백질에서 반복적으로 존재하는 최소 구조적 단위인 모듈에 의해 형성되는 전체 단백질의 구조형태
○ 대장균: 사람이나 동물의 대장에 많이 서식하는 장 내 세균으로, 생명 공학에서는 단백질의 대량 생산에 주로 이용됨
그림1. 사람 항체의 구조. 분자량(150Kda)이 커서 세포내로 침투할 수 없으며 서로 뭉쳐 치는 경향이 커서 쉽게 활성을 잃는다. 그리고 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합 강도를 높이는 것과 합리적 설계가 매우 어려운 단점이 있다.
그림2. 기존 항체 치료제의 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 새로운 비항체 인공항체 단백질. 반복 모듈기반의 인공항체 단백질은 설계 및 구조 예측이 용이하고, 높은 안정성을 갖으며, 결합 면적 및 크기의 조절이 용이하다.
그림3. 연구팀이 개발한 인공항체가 질병유발 인자인 항원과 결합한 모습
그림4. 개발된 인공항체의 3차원 구조
2012.02.13 조회수 11433 -
김학성 교수, 한국바이오칩 학회지인 '바이오칩 저널' SCIE 등재
생명과학과 김학성(金學成, 51세) 교수가 학회장을 맡고 있는 한국바이오칩학회에서 발간하는 학술지인 "바이오칩 저널(Biochip Journal)"이 "과학기술논문색인(SCI, Science Citation Index)" 확장판인 "SCIE(Science Citation Index Expanded)"에 공식 등재됐다.
이 저널은 2007년 초에 창간, 1년 6개월 만에 "SCIE"에 등재됐다. 저널의 "SCIE" 등재는 발표된 논문의 중요성, 인용 횟수 및 저널 편집자들의 명성 등을 평가하여 등재 여부를 결정한다. 통상적으로 "SCIE" 등재를 위해서는 분야에 따라 다소 차이는 있지만 최소 3년 이상 걸리는 것으로 알려져 있다.
현재 이 학회에는 대학, 연구소 및 기업체에서 바이오칩과 관련된 400여 명의 연구자가 회원으로 참가하고 있으며, 바이오칩에 대한 관심이 높아지면서 회원 수가 급격하게 증가하고 있는 추세다.
바이오칩은 생물에서 유래된 생체 유기물질 (단백질, 효소, 항체, 동식물 세포 및 기관, 신경세포 등)과 반도체 같은 무기물을 조합하여 기존의 반도체칩 형태로 만든 소자(device)로, 중요한 인체 정보나 생체분자(Biomolecules)들을 정량적(Quantitative), 혹은 정성적(Qualitative)으로 측정하는 장치로 DNA 칩, 단백질 칩(Protein Chip), 셀 칩(Cell Chip), 등을 지칭한다. 바이오칩이 중요한 이유는 사회적 측면으로는 포스트 게놈(Post Genome) 시대의 도래로 바이오 정보를 이용한 새로운 보건의료기술의 개발이 선진국을 중심으로 활성화되고 있으며, 경제수준이 향상됨에 따라 건강에 대한 관심이 증가하고 보다 나은 질의 삶을 영위하고자 하는 욕구가 커짐에 따라 질병의 진단 및 예방, 신약개발, 그리고 의료 복지에 대한 요구가 커지고 있기 때문이다. 최근 전 세계적으로 과학 기술의 발전 추세는 한마디로 "컨버전스(Convergence)" 라고 말할 수 있다. 즉, 다른 영역간의 융합(Fusion)을 통해 새로운 학문이나 기술 개념이 창출되는 추세다. 이런 융합 학문 시대에 가장 대표적인 것이 생명공학기술(BT, Bio Technology)과 정보기술(IT, Information Technology), 그리고 나노기술(NT, Nano Technology)이 접목된 분야이고 BT-IT-NT 융합의 대표적 주자가 바이오칩 이다. 즉, 바이오칩은 생명과학, 화학, 물리학, 의학, 기계공학, 전자공학, 화학공학 등의 많은 분야가 접목되어야 새로운 기술이나 제품의 개발이 가능하다. 세계적으로 미국과 유럽, 일본 등 과학 선진국이 바이오칩 상용화 연구를 서두르고 있어 조만간 바이오칩이 질병진단, 신약개발 및 의료산업 등에 널리 이용되는 단계에 접어 들 것으로 전망된다. 세계적인 주요 IT기업들도 새로운 시장 돌파구로 BT를 선택하고 이 중에서도 BT-IT-NT가 융합된 바이오칩 개발에 많은 연구비를 투자 하고 있다.
金 교수는 "바이오칩 저널의 SCIE 등재를 통해 국내에서 수행된 우수한 연구 논문을 국제적으로 널리 알리고, 한국바이오칩학회의 위상을 높일 수 있는 좋은 기회를 갖게 되었다"고 말했다.
2008.09.04 조회수 14059 -
KAIST개혁, 사이언스지 30일자 인터넷판 게재
우리 학교가 진행 중인 교육개혁이 세계적인 관심을 끌고 있다.
세계적 과학전문지인 사이언스(Science)誌는 30일자 인터넷판 ‘뉴스 포커스’에서 서남표 총장과 KAIST 개혁, 기부금 모금, 새로운 테뉴어 제도, 수업료 징수, 신입생 선발 제도, 교수초빙 등에 대해 심층 보도하며 큰 관심을 보였다. 아래는 기사 전문이다.원문 http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/318/5855/1371
News Focus고등교육: MIT 공학자, 한국 교육계를 뿌리채 흔들다
카이스트 신임총장의 혁신적인 조치들이 전통에 얽매인 시스템을 뒤흔들고 있다.
한국을 넘어 세계적인 대학으로서의 위상을 얻기 위해, 카이스트는 베트남, 중국, 르완다 등 다른 나라들로부터 학생을 유치해왔다.
지난 12월 19일, 카이스트는 한 기업가가 250만불을 KAIST에 기부하면서 추가로 기부금을 더 내겠다는 약속을 했다고 발표했다. 이것은 신임 서남표 총장에 의한 일련의 개혁조치 중 가장 최근에 이뤄진 것이다. MIT 교수(휴직중)이며 기계공학자인 서 총장은 대학에 대한 기부문화가 보편적이지 않은 한국에서 전례없는 액수인 1,250만불의 기금을 모금하였다. 서 총장은 다른 분야에서도 한국의 전통에 맞서고 있다. 최근 카이스트는 교수에 대한 영년직 심사에서 일부 교수에 대한 영년직 부여를 거부했는데 이는 한국적 인 기준으로 볼 때 충격적인 조치였다.
서 총장은 카이스트를 MIT와 같은 세계적인 대학으로 만드는 것이 목표라고 말한다. 카이스트 생명화학공학과 이상엽 교수를 포함하여 대부분의 교수들이 서 총장의 철학과 비전이 올바른 것이라고 동의한다. 하지만 서 총장이 36년의 역사를 가진 이 학교에 어떻게 그와 같은 비전을 구체화시킬 것인가에 대한 걱정이 없는 것도 아니다.
카이스트 구성원들이 걱정을 하는 데에는 그만한 이유가 있다. 2004년, 카이스트는 학교를 세계적 수준의 대학으로 변화시켜 줄 것을 요구하며 노벨 물리학상 수상자인 로버트 러플린 박사를 총장으로 초빙했었다. 러플린 총장은 한국대학 최초의 외국인 총장이었다. 스탠포드 대학의 교수(휴직 중)였던 러플린 총장은 카이스트의 사립화, 학비 징수, 연구결과의 상업화에 주력할 것과 학부생 수를 3배로 증가시킬 것을 제안하였다(사이언스지 2005년 2월 25일자 1,181페이지, 2006년 1월 20일자 321페이지 참조). 그러나 러플린 총장이 자신의 계획을 현실화시키지 못하자 “교수들은 실망감을 감추지 못했다”라고 생명과학과 정종경 교수는 말한다. 2006년 카이스트 이사회는 새로운 총장을 찾아보기로 결정한다.
이사회는 서 총장을 주목했다. 한국 경주에서 1936년에 출생한 서 총장은 10대때 가족과 함께 미국으로 건너가 카네기 멜론 대학에서 기계공학박사학위를 취득했다. MIT 교수로 근무하면서, 서 총장은 공학설계이론을 고안해 찬사를 받았었고 50개 이상의 특허를 취득했으며, 몇몇 회사의 창립을 도왔다. 1980년대 초반에는 미국 국립과학재단 공학담당 부총재를 역임했으며, 1991년부터 2001년에 걸쳐서는 MIT 기계공학과 학과장을 역임했다.
2006년 7월, 카이스트에 도착한 이후, 서 총장은 카이스트의 강의를 영어로 진행할 것을 주장하면서 한국 대학으로서는 최초로 학부과정을 외국인 학생에게 개방하였다. 서 총장은 또한 B학점 이상의 성적을 유지하는 학생에 대해서는 수업료 면제혜택을 계속 부여하지만 C이하의 성적을 취득한 학생에게는 1년에 16,000불에 해당하는 수업료를 다음 2월에 시작하는 학기부터 징수하기로 결정했다. 이에 대해, 서 총장은 “우리는 학생들이 자신들의 행동에 책임을 졌으면 한다”고 말했다.
변화의 주체. 카이스트 교수들은 현재까지는 서 총장의 개혁을 지지하고 있다CREDIT: KAIST
카이스트의 새로운 입학절차 역시 파급효과가 클 것으로 기대된다. 예전에는 카이스트 역시 한국의 우수한 다른 대학들과 마찬가지로 대학입학시험에서 좋은 성적을 얻은 학생들만을 선발했다. 한국의 많은 고등학생들은 주입식 교육이 이뤄지고 있는 학교에서 이런 시험들을 준비하는데 자신들의 여유시간을 쓰고 있다. 하지만 서 총장은 시험점수는 리더를 식별해 낼 수 없는 “1차원적인 측정법”이라고 말한다. 따라서, 다음 학기에 카이스트에 입학을 원하는 학생은 이번 가을에 카이스트에 와서 면접을 보고, 프레젠테이션을 해야 하며, 교수들이 지켜보는 가운데 토론에 참가해야 한다. 이들 교수들은 성적과 인성을 바탕으로 신입생을 선발하게 된다. “우리는 미래의 아인쉬타인, 미래의 빌게이츠를 찾고 있습니다”라고 서 총장은 말한다. 보다 급진적인 개혁이 교수에 대한 영년직 심사에서 나타났다. 전통적으로, 한국의 교수들은 일정기간 근무를 하게 되면 영년직을 얻어왔다. 서 총장은 카이스트 교수들이 영년직을 얻기 위해서는 해당 분야의 세계적인 전문가들로부터 인정을 받아야 한다고 주장했다. 지난 9월, 33명의 신청자 중 11명이 영년직 심사에서 탈락했으며 이들은 1년 이내에 새로운 직업을 찾아야 한다.
영년직 심사는 “교육개혁의 시발점에 불과하다”고 화학과 유룡 교수는 말한다. 그러나, 유 교수와 그의 동료들은 영년직 심사에서 탈락한 교수들의 미래를 걱정하기도 한다. 서 총장 역시 그들의 어려운 처지를 이해하기는 하지만 그의 입장은 확고부동하다. 서 총장은 “영년직 심사에서 탈락한 교수들 역시 매우 훌륭한 분들이지만, 우리가 설정한 기준에서 볼 때 우리가 기대하는 만큼 우수하지는 않다”라고 말하며, 다른 대학들이 이들에게 또 다른 기회를 주기를 희망하고 있다.
동시에, 서 총장은 향후 4-5년 내에 외국인 교수를 포함하여 300명의 신임교원을 충원할 계획을 가지고 있으며 이를 통해 418명의 카이스트 교수진에 새로운 피를 수혈하고자 한다. (학교를 확장하기 위해, 서 총장은 현재 1억 8백만불 상당의 정부지원금을 두 배로 증액하기 위하여 정부의 승인을 받을 수 있도록 노력하고 있다.) 지난 해 MIT에서 기계공학 박사학위를 받은 Mary Kathryn Thompson 교수는 그가 유치한 최초의 외국인 교수이다. 지난 8월에 도착하여 한국어 공부를 시작한 Thompson 교수는 “카이스트에서 근무하게 되어 매우 흥분된다”고 말한다.
서 총장이 주도한 이러한 조치들을 교수들이 지지하고는 있지만, 몇몇 교수들은 서 총장이 한국의 교수들이 너무 편하게 살고 있다는 의미의 발언을 직설적이고 공개적으로 했던 것에 대해 불편한 심기를 표시하기도 한다. 전기전자공학과 최양규 교수는 “서 총장의 그와 같은 발언에 동의할 수 없다. 한국의 대다수 교수들은 매우 열심히 일하고 있다”라고 말한다. 생명과학과 김학성 교수는 “서 총장은 채찍만이 아닌, 채찍과 당근을 가져야 한다”고 덧붙인다.
당근은 쉽게 얻을 수 있는 것이 아니다. “나는 대부분의 시간을 기금을 모금하기 위해 쓰고 있다”고 서 총장은 말한다. 개인 기부자들을 찾아 다니며 간청하는 것이 이런 노력의 일부이다. “아시아에서는 대학에 기부하는 것이 보편적이지 않다. 그러나 한국에 그러한 문화를 정착시키는 것이 내가 지향하는 바이다”라고 서 총장은 말한다. 이것은 모든 한국 대학들이 추구하고자 하는 선례가 될 것이다.
2007.11.30 조회수 15496 -
김학성 교수, 연구논문 독일화학誌 인터넷판 게재
- 비 표지방식에 의한 단백질 활성의 고감도 측정기술 개발- 세포 내에서 단백질 수식(Post-translational modification) 및 신호전달 연구와 신약 후보 물질의 스크리닝 등 생명공학 분야에서 광범위하게 활용될 수 있는 기반 기술
우리 학교 생명과학과 김학성(金學成) 교수 / 김영필(金英必, 박사과정) 연구팀은 독일의 권위 있는 학술지인 안게반테 케미(Angewandte Chemie)誌에 이차이온 질량분석기를 이용한 단백질 활성 분석방법을 8월 1일자 인터넷 판에 발표했다. 이 연구는 한국표준과학연구원 나노바이오융합연구단 이태걸 박사팀과 공동으로 진행됐다.
생체 내에서 단백질의 수식(post-translational modification)에 관련된 다양한 단백질 및 효소는 세포내 신호전달에 핵심적인 역할을 담당하며 세포의 분열, 성장, 사멸과정을 정교하게 조절하고 있다.
단백질 키나제(protein kinase)는 단백질의 특정아미노산을 인산화 시켜 세포 내 다양한 신호전달 및 질병 메카니즘과 밀접하게 연관되어 있다. 따라서, 이러한 단백질의 수식에 관련된 단백질의 활성을 고감도로 정확하게 측정할 수 있는 방법은 세포내 신호전달 기작은 물론 신약개발에 광범위하게 활용될 수 있다.
최근에 개발된 백혈병 치료제인 글리벡은 세포의 증식 (proliferation)에 관련된 단백질 키나제의 활성 저해제다. 기존에는 주로 항체에 다양한 표지물질 (형광 혹은 효소)을 부착하여 측정하는 방법을 사용하였기 때문에 시간이 많이 소요되고 다양한 단백질 키나아제의 활성을 정확하고 빠르게 측정하기가 어려웠다.
金 교수팀은 금 나노입자(gold nanoparticle)와 이차이온 질량분석기 (secondary ion mass spectrometry)를 활용하여 고감도로 단백질 키나제의 활성을 측정하고 동시에 단백질 저해제를 분석할 수 있는 방법을 개발했다. 다양한 칩 표면에 금 나노입자를 부착하고 생체물질을 결합한 후 이온 빔을 조사하게 되면 생체물질의 질량신호를 얻을 수가 있다. 단백질 키나아제의 기질로서 사용되는 펩타이드의 질량신호가 금 나노입자에 의해 수 십배 증폭되는 점에 착안했다.
기존 질량분석기 중 매트릭스 보조된 레이저 탈착/이온화 질량분석기 (MALDI-MS)의 경우는 첨가된 매트릭스(matrix)의 불균일한 분포로 인해 정량분석에 큰 한계가 있었다.
연구팀에서는 매트릭스가 필요 없는 이차이온 질량분석기와 균일한 표면의 금 나노 입자층을 사용하여 신호를 증폭함으로써 고감도의 정량분석이 가능하게 했다. 이 측정방법은 다른 측정방법에 비해 표면 감도가 매우 우수하여 단위면적당(mm2) 수십 펨토몰(fmol) 수준의 생체물질을 검출할 수 있다.
또한 해상력이 뛰어나 표면 생체물질의 질량분포를 이미징을 통해 손쉽게 스크리닝 할 수 있다. 칩 표면에 서로 다른 기질을 사용할 경우 다양한 단백질 키나아제의 활성을 동시에 분석할 수 있음을 확인했다.
金 교수팀이 개발한 기술은 키나아제 이외에도 포스포타제 (phosphotase), 프로티아제 (protease), 아세틸라아제 (acetylase), 메틸전이효소 (methyltransferase) 등을 포함한 단백질 수식에 적용할 수 있기 때문에 생명과학 및 생명공학 분야에 다양하게 활용할 수 있다. 다양한 단백질 활성 저해제 (inhibitor)를 손쉽게 탐색할 수 있어 신약개발에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 현재 미국특허 출원 중이며 국내특허 등록을 완료했다.
< 용어 설명 >비 표지방식 (label-free method) : 단백질 존재의 유무를 판별하기 위해서는 표지물질로서 단백질과 강하게 결합하는 항체에 흡광물질, 형광물질, 화학발광체 등의 표지자를 부착시킨 것을 사용하게 되는데 비 표지방식은 이와 같은 표지물질을 사용하지 않고 측정할 수 있는 것을 의미한다.
단백질 번역 후 수식과정 (post-translational modification): 합성된 단백질에 "기능"을 부여하는 과정이다. 즉, 세포 내에서 단백질이 합성 (번역과정이라고 함)된 이후 단백질의 특정 아미노산 부위에 인산기, 아세트산기, 메틸기, 혹은 탄수화물 등과 같은 다양한 기능기가 수식화 되는데 이는 단백질의 기능을 활성화하거나 억제하는 데 직접적으로 관여한다. 이 과정은 생체 내에 있는 다양한 효소에 의해 수행된다.
키나아제(kinase) : 다양한 단백질에 인산기를 붙여주는 효소로서 인체 내에는 약 500 종류 이상의 키나아제가 존재한다.
펨토몰 (fmol) : 1몰 (6.02x1023에 해당되는 분자수)의 10‒15에 해당되는 크기
2007.08.02 조회수 18174