인류의 고질적 유전질환 정복위한 토대 마련

국내 연구진, 세계 최초로 '인공 세포핵' 개발







유전 질환 치료에 활용할 수 있는 ‘인공 세포핵’이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

인류의 고질적인 유전 질환을 정복할 수 있는 토대를 마련했다는 점에서 주목된다.



성균관대 화학고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀은 세포 내 핵의 기능이 저하된 경우 인공 세포핵 시스템으로 대체할 수 있는 가능성을 제안하는 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구지원사업을 통해 수행했으며 ‘mRNA-Producing Pseudo-nucleus SystemmRNA-Producing Pseudo-nucleus System’이란 제목의 연구결과는 나노생명과학분야의 권위 있는 학술지인 스몰(Small) 온라인판 8월27일 자에 게재됐다고 6일 밝혔다.



연구팀에 따르면 다운증후군과 같은 유전 질환을 치료하기 위해 정상 유전자를 대상 세포에 전달하는 일반적 효율은 1%미만으로 매우 떨어지고 암과 같은 심각한 부작용의 가능성이 있어 실제 임상 치료의 한계로 지적되고 있다.



이를 극복하기 위해 대상 세포핵으로 직접 유전자를 전달하지 않고 세포핵 이전에 메신저 RNA에서 단백질 발현이 가능하도록 하는 방법이 제시되고 있지만 빠른 분해능으로 인한 낮은 발현 효율 등의 한계를 갖고 있는 실정이다.



또한 메신저 RNA를 세포에 전달하기에 앞서 메신저 RNA를 효율적으로 합성하는 것이 중요하지만 현재 상용화되어 있는 메신저 RNA 제작 방식은 기능을 활성화하는데 필요한 복잡한 단계들을 거치며 합성 효율이 높지 않으며 제작된 메신저 RNA를 정제하는 등 이후 세포에 전달하는 과정에서도 많은 손실이 불가피하다.



이에 엄숭호 교수팀은 이번 논문에서 핵산나노구조체를 이용한 메신저 RNA의 대량 생산과 세포 전달에 즉시 이용될 수 있는 인공 세포핵을 개발, 세포 내로 전달되었을 때 기능성 단백질이 더욱 효율적으로 발현되는 것을 밝혀냈다.



세포 핵 내에 다량의 유전자들은 히스톤 단백질로 포획되어 있는데 이번 연구에서는 히스톤 기능을 대체하기 위해서 핵산오리가미 기법으로 유전자를 세포핵에 효과적으로 연결, 게놈 하이드로겔(hydrogel) 시스템을 개발했으며 게놈 하이드로겔 시스템이 생체 외에서 단백질 발현인자들과 만났을 때 조밀한 겔 세망조직 내에서 발현 인자들의 잔류효과가 극대화됨으로써 수백 배 이상의 단백질 생산 효율을 보였을 뿐 아니라 16가지 이상의 기능성 단백질들(예를 들어, 항체, 접합 단백질 등 생체 내에서 생산이 어려운 단백질 포함)도 쉽게 생산됐다.



또한 입자형태로 제작된 게놈 하이드로겔의 표면을 세포 막 투과가 용이하도록 지질막으로 코팅해 세포 핵 모사 시스템, 즉 인공 세포핵을 완성했다.



연구팀은 개발된 인공 세포핵을 유전적인 문제가 있는 인간 유래 유방암 세포에 전달하였을 때 모델 형광 단백질이 2배 이상 강하게 발현되고, 발현 유지 시간 또한 극명하게 증대되는 것을 재확인할 수 있었다.



따라서 세포 핵 내부 유전자에 심각한 문제를 가지고 있는 유전질환 환자에 이 기술을 주입하면 유전자 이입 및 결합 등의 복잡한 과정이 단순화 될 뿐 아니라 발현효율을 업그레이드시킬 수 있어 정상적인 기능으로 환자를 복귀시킬 수 있어 다양한 유전 질환 극복에 응용 가능될 수 있을 것으로 기대된다.



이와함께 단백질 생산 공정기술과 접목해 세포핵 입자들을 플랜트화 할 수 있다면 특정 단백질군들을 대량배양 할 수 있어 다양한 단백질 치료제 생산능력 향상에도 크게 기여할 수 있을 전망이다.



엄숭호 교수는 “이번 연구를 통해서 기존의 효율이 낮은 유전자 이입 기술에 대응하는 새로운 첨단 치료기술을 제안한 것은 인류의 고질적인 유전 질환을 정복할 수 있는 토대를 마련한 것으로 볼 수 있다”며 의의를 밝혔다.





<용어해설>

하이드로겔(hydrogel)

콜로이드 용액이 일정 농도이상에서 세망조직을 만들어 분산매인 물에서 굳어져 있는 것.



생체 모사 기술

나노공학 기술의 급속한 발전과 더불어, 기존에는 만들어지기 어려운 기능성 소재개발이 한창이며 이는 우수한 생체 시스템을 디자인하는 기술에도 도입되어 기존 자연소재의 외형뿐 아니라 실제 내부 기능까지 정밀하게 모사하는‘생체모사 기술’로 발전했다.



핵산오리가미

기존의 핵산은 유전정보물질로 잘 알려져 있으나 최근 나노공학 기술의 발전과 더불어 뛰어난 생체 고분자 소재로 각광받고 있다. 이전에 선형 및 원형의 단순한 핵산 고분자 물질이 나노공학 기술의 도움으로 가지형, 튜브형, 심지어 다양한 이모티콘 형으로 오리가미(종이접기) 디자인 제작되어 활용되고 있다.



핵산(DNA)과 전령 RNA

세포 본연의 기능에 주요한 역할을 하는 단백질을 만들어 내는데 필요한 청사진을 핵산(DNA)라 할 수 있다. 핵산은 모든 세포핵 속에 존재하며, 세포는 핵산의 염기서열에 저장되어 있는 정보를 전령 RNA의 형태로 본 떠 세포질로 방출하고, 이들 전령 RNA는 리보좀 효소와 결합해 최종 단백질을 합성하는데 사용된다.