항체를 활용한 신개념 생체 형틀법 최초 개발
- 신소재공학과 장재범 교수 연구팀, 다세포 생물의 특정 단백질 구조체를 형틀로 활용함으로써 기존 생체 형틀법의 한계를 극복 성공
- 바이러스나 효모 같이 단세포 생물의 특정 단백질 구조 형틀로 활용되었던 기존 생체 형틀법으로 구현할 수 없었던 다세포 생물의 특정 구조체를 모방한 금속 구조체를 합성한 최초의 사례
- 향후, 다양한 생명체에 폭넓게 응용 및 적용 가능하며 합성된 생체 재료는 촉매, 전기화학, 바이오센서 등에 활용 기대
KAIST는 신소재공학과 장재범 교수 연구팀이 다세포 생물이 갖는 특정 단백질 구조체를 활용할 수 있는 새로운 개념의 생체 형틀법을 최초로 개발했다고 10일 밝혔다. 긴 시간 동안 특정 기능에 최적화된 생명체가 갖는 복잡하고 정교한 구조체를 형틀로 삼아 이를 모방한 무기물 구조체를 만드는 방법을 생체 형틀법 이라고 한다. 이는 에너지, 광학, 마이크로로봇 분야 등에 응용돼왔다.
장 교수 연구팀은 항원-항체 반응에 착안해 특정 단백질을 항체로 표적화한 뒤, 항체에 붙어 있는 1.4 나노미터(nm) 크기의 금 입자에서 다양한 금속 입자들을 성장시킴으로써 특정 단백질 구조체를 모방한 금속 구조체를 합성하는 데 성공했다. 개발된 생체 형틀법은 일반적인 항원-항체 반응과 금속 입자 성장법을 기반으로 하기 때문에 다양한 생명체에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
KAIST 신소재공학과 송창우, 송대현 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 7월 7일 字 온라인 출판됐다. (논문명 : Multiscale Functional Metal Architectures by Antibody-Guided Metallization of Specific Protein Assemblies in Ex Vivo Multicellular Organisms(Wiley Online Library)).
생명체가 갖는 특정 기능에 최적화된 다양한 구조체들은 복잡하고 계층적 구조를 기반으로 하여 인공적인 합성 방법을 통해 재현하기 어렵다. 따라서 이러한 생체 구조체를 형틀로 해 동일한 모양의 무기물 구조체를 합성하는 생체 형틀법이 개발돼왔으며, 합성된 생체 재료들은 촉매, 에너지 저장 및 생산, 센서 등 다양하게 활용돼왔다.
하지만 개발된 생체 형틀법 중 특정 단백질 구조체를 형틀로 사용한 경우는 적으며, 있다 하더라도 바이러스나 효모와 같은 단세포 생물의 특정 단백질 구조체를 형틀로 활용한 연구들 뿐이었다.
생명체의 특정 단백질 구조체를 활용하는 생체 형틀법은 원하는 생체 구조체만을 활용 가능하며 합성하고자 하는 생체 재료의 목적에 맞는 단백질을 선택해 사용할 수 있다는 장점이 있다.
연구팀은 기존의 생체 형틀법 한계를 해결을 위해 특정 단백질을 이미징할 때 활용하는 항원-항체 반응을 생체 형틀법에 적용했다.
연구팀이 사용한 항체는 1.4 나노미터(nm) 크기의 금 입자가 달려있고 이는 금속 입자 성장을 위한 종자(seed) 역할을 하게 되어 특정 단백질을 표적화한 항체로부터 다양한 금속 입자를 성장시킬 수 있다.
연구팀은 인간 세포 내부의 미세소관, 미토콘드리아, 핵, 세포막, 세포질에 존재하는 특정 단백질에서만 금 입자를 성장시키는 데 성공했으며, 세포 수준뿐만 아니라 조직 수준인 쥐의 뇌, 신장, 심장에서도 개발한 방법을 적용할 수 있다는 것을 보였다.
나아가 연구팀은 금 입자뿐만 아니라 은, 금-백금, 금-팔라듐 입자를 세포 내부 미세소관 구조체를 따라 합성함으로써 합성된 세포를 액상 반응의 촉매로 활용 가능하다는 것을 증명했다. 또한, 세포 표면에 철 입자를 성장시킨 후 자석으로 조절할 수 있음을 보여 향후 이러한 금속 입자가 성장된 세포들을 조절하거나 군집 행동을 구현하는 것이 가능함을 보였다.
연구팀이 개발한 신개념 생체 형틀법은 다세포 생물뿐만 아니라 항체 염색이 가능한 식물, 균류, 바이러스 등의 생명체에도 활용 가능해 다양한 생체 구조체를 모방한 생체 재료 합성에 이용될 것으로 기대된다.
제1 저자인 송창우 박사과정은 "이번 연구는 기존의 생체 형틀법으로 구현할 수 없었던 다세포 생물의 특정 구조체를 모방한 금속 구조체를 합성한 최초의 사례이며, 이를 통해 생체 형틀법을 활용할 수 있는 생체 구조체의 범위를 넓혔다ˮ 라며 "합성된 생체 재료는 이번 연구에서 보여준 촉매뿐만 아니라 전기화학 및 바이오센서에도 활용 가능할 것으로 예상된다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 과학난제도전 융합연구개발사업, 우수신진연구사업, 뇌과학원천기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구개요
1. 연구 배경
긴 시간 동안 특정 기능에 최적화된 생명체가 가지는 복잡하고 정교한 구조체를 형틀로 삼아 이를 모방한 무기물 구조체를 만드는 방법을 생체 형틀법 이라고 한다. 수십 년 동안 생체 구조체가 가지는 우수한 기능성을 바탕으로 다양한 생체 형틀법이 연구되었고, 합성된 생체 재료들은 여러 어플리케이션에 활용되면서 기존에 사용되는 재료들의 한계를 뛰어 넘어왔다. 하지만 현재까지 제안된 생체 형틀법 중 다세포 생물이 가지는 특정 단백질을 형틀로 삼은 연구는 진행되지 않았다. 다세포 생물이 가지는 특정 기능에 최적화된 다양한 단백질 구조체들을 형틀로 활용할 수 있다면 기존의 생체 형틀법의 활용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대 된다.
2. 연구 내용
항원-항체 반응은 특정 단백질을 표적화 하는데 널리 이용되며 이를 이용해 형광 물질이 붙은 항체를 특정 단백질에 염색해 그 구조체를 확인하는 데 사용되어왔다. 본 연구에서는 다음의 항원-항체 반응을 활용하여 생명체의 특정 단백질을 염색하고 특정 단백질에 결합 된 항체로부터 금속 입자 성장을 진행함으로써 원하는 단백질 구조체를 모방한 금속 입자 조립 (assembly)를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 개발한 새로운 생체 형틀법은 원하는 단백질 구조체에 결합 가능한 항체가 있으면 적용 가능하였으며 인간 세포 그리고 쥐의 다양한 조직 내의 특정 단백질 구조체를 모방한 금속 입자 조립을 합성함으로써 이를 증명하였다. 또한, 다양한 물질 성장 방법을 활용하여 금, 은, 금@백금 (코어@쉘), 금@팔라듐 입자를 특정 단백질 구조체에 따라 합성 가능하였다. 이렇게 합성한 금속 입자를 포함한 세포, 조직은 액상 반응의 촉매로 활용할 수 있었으며, 합성된 입자는 항체에 의해 세포 내부 단백질에 강하게 고정되어 있어 촉매 반응의 안정성 확보도 가능하였다. 특히 세포 수준에서는 세포 소기관을 이루는 여러 단백질들을 형틀로 삼아 금속 입자를 성장시킴으로 세포 내부에 더 많은 입자를 성장시켜 촉매 활성도를 증가시키는 것도 보였다. 본 연구에서 제안한 새로운 생체 형틀법은 다세포 생물이 가지는 특정 단백질 구조체를 형틀로 사용할 수 있게 만들었으며 생체 형틀법이 활용 가능한 구조체의 범주를 크게 넓힐 수 있었다.
3. 기대 효과
생명체는 해당 기능을 위해 최적의 구조로 진화한 결과물들의 집합체이다. 예를 들어 동물의 뼈는 콜라겐이라는 단백질로 이루어진 복잡한 그물망 구조를 바탕으로 높은 강성과 함께 유연성을 가질 수 있었다. 본 연구에서 제안한 새로운 생체 형틀법은 생물체가 가지는 특정 단백질 구조에 무기물이 가지는 기능성을 부여할 수 있기에 뼈의 구조체를 따라 더 높은 강성을 가지는 무기물을 합성시키는 것처럼 생체 구조가 가지는 기능성을 강화한 생체 재료 합성이 가능할 것으로 예상 된다. 또한, 항원-항체 반응을 기반으로 하기에 다양한 항체가 개발됨에 따라 본 연구에 접목 가능한 생체 구조물의 범위가 점차 늘어날 것으로 기대되며 기존의 재료보다 여러 기능성 측면에서 우수한 신소재 합성의 발판이 될 것으로 생각된다.
그림 1. 본 연구에서 제안한 새로운 생체 형틀법에 대한 모식도: ⅰ) 세포 내부의 미세소관. ⅱ) 일차, 이차 항체로 미세소관 표적화 진행. ⅲ) 항체로부터 첫 번째 금속 입자 성장. ⅳ) 성장한 첫 번째 금속 입자로부터 두 번째 금속 성장.
그림 2. (A) 세포의 미세소관을 표적화하여 금속 입자를 성장시킨 뒤 측정한 전자현미경 이미지. (B) 쥐의 뇌 슬라이스 (slice) (C) 신경 세포를 표적화하여 금속 입자를 성장시킨 쥐의 뇌 슬라이스.
생명과학 KAIST (2022-08-10)