바이오인

핵심내용

생체고분자 RNA를 안정된 필름형태로 제작하여 약물전달체 등으로의 응용 기대

□ 국내 연구진이 생체고분자 RNA* 가닥들을 엮어 손톱크기의 RNA 멤브레인을 만들어냈다. RNA를 이용한 피라미드 형태의 나노구조물 등이 있었지만 눈으로 쉽게 볼 수 있는 크기의 멤브레인은 처음이다. 건조된 RNA 멤브레인은 약물전달체 등 다양한 소재로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

* RNA : 우리 생명체의 지도인 유전정보가 담겨진 DNA와 같은 핵산(nucleic acid)이나 핵산을 구성하는 당 가운데 일부가 다른 생체고분자. 분해효소 등에 의해 분해되기 쉬워 불안정 　

o 서울시립대 화학공학과 이종범 교수 연구팀 한대훈 석사과정 연구원이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 일반연구자지원사업(신진장비) 및 글로벌개방혁신연구센터(GIRC)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 온라인판(7월 4일자)에 게재되었다.

※ 논문명 : Self-assembly of Free-standing RNA Membranes

□ RNA 구조물은 생체고분자로 체내 안정성 측면에서 유리하며 그 자체로 효소활성을 띠는 등 고유한 생물학적 특성을 활용할 수 있어 효용가치가 크다.

o 하지만 RNA는 효소 등에 의해 쉽게 분해되는 불안정한 고분자로 실제 이를 활용한 구조물을 만들기는 쉽지 않다. 또한 멤브레인 형태로 만들려면 긴 RNA 가닥을 합성하고 이들의 결합을 유도하는 것이 관건이다.

□ 연구팀은 수천여개 염기쌍으로 된 긴 RNA 가닥을 합성한 후 이들 RNA 가닥들을 농축시켜 이들 간 자발적인 결합을 유도하는 방식으로 손톱크기의 RNA 멤브레인을 합성해냈다.

o 이렇게 만들어진 RNA 멤브레인은 간단한 조작으로 표면의 거칠기나 두께 같은 특성을 조절할 수 있다.

o 예를 들어 RNA 가닥간의 염기결합수*를 줄이면 멤브레인이 더 거칠어지는 식이다. 뿐만 아니라 RNA 농도를 조절하여 멤브레인의 두께를 조절하는 것도 가능하다는 설명이다.

* 염기결합수 : 이중가닥 DNA 또는 RNA에서 수소결합으로 연결되어 있는 염기쌍의 수

□ 실제 이렇게 만들어진 RNA 멤브레인에 항암제 독소루비신*을 실어날라 RNA 멤브레인의 약물전달체로서의 가능성을 확인했다.

* 독소루비신(doxorubicin) : 폐암, 소화 기관 암, 방광 종양 등에 쓰는 항암제

o 이중가닥의 RNA를 이루는 염기간 결합 사이에 독소루비신이 끼어드는 성질을 이용한 것이다.

□ 이종범 교수는 “멤브레인을 이루는 RNA의 염기서열을 조작하면 유해단백질 생성을 막거나 반대로 유익한 단백질 생성을 돕는 등 멤브레인에 생물학적 기능을 부여할 수 있다”고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

RNA와 DNA를 구성하는 염기들은 특정 염기간의 수소 결합을 통해 계획적으로 결합된다. 이러한 염기쌍 결합을 이용해 DNA와 RNA는 다양한 형태의 구조물 을 만들 수 있는 매력적인 재료로서 많은 관심을 받고 있다. 다양한 DNA 및 RNA 구조물들이 개발되었지만 RNA는 DNA에 비해 그 수가 부족하며 거시적인 크기의 순수한 RNA 구조물에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

RNA는 생물학적 기능으로 인해 의학 및 바이오 분야에서 특히 많은 관심을 받고 있다. RNA 스스로 효소와 같은 기능을 가질 수도 있음이 확인되어 관련 분야에 대한 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다. 유전자 질환 치료제로 많은 관심을 받고 있는 작은간섭리보핵산(siRNA)은 전령리보핵산(mRNA)과의 결합 및 분해를 통해 특정 단백질 또는 펩타이드의 생산을 억제하는 것으로 알려져 있다.

본 연구에 적용된 롤링-써클 복제(Rolling circle replication, RCR) 기술은 RNA 또는 DNA 중합효소를 이용해 무수히 많은 양의 복제 RNA 또는 DNA를 상대적으로 적은 비용으로 얻을 수 있다는 것이 장점이다. 대표적으로 롤링-써클 전사 (Rolling circle tranion, RCT)와 롤링-써클 증폭(Rolling circle amplification, RCA)이 있다.

2. 연구내용

RNA 멤브레인은 상호결합 롤링-써클 전사(Complementary rolling circle tranion, cRCT)와 증발유도자기결합(Evaporation-induced self-assembly, EISA) 이라는 두 가지순차적 과정에 의해 만들어진다.

상호결합 롤링-써클 전사(cRCT)는 기존 롤링-써클 전사(RCT) 기술과 달리 두 종류의 원형 DNA를 사용한다. 두 원형 DNA는 서로 상보적인 DNA 염기서열을 가지고 있어 원형 DNA에서 생성되는 RNA 가닥들이 서로 결합해 무수히 많은 이중결합 RNA를 형성하는 원리를 이용한다. 한편 증발유도자기결합(EISA)은 증발을 통해 반응튜브 벽면에서 RNA 가닥의 농도를 높임으로써 RNA 가닥들의 자가결합을 유도하는 기술이다.

본 연구진은 RNA 멤브레인 제작을 위한 새로운 롤링-써클 복제(RCR) 기술을 개발했다. 기존 롤링-써클 복제 기술은 원형의 DNA로부터 한 종류의 단일가닥이 중합효소반응에 의하여 반복적으로 복제되어 나오는 방식으로 쉽게 설명하면 다람쥐가 쳇바퀴를 도는 것과 비슷한 원리이다. 중합효소가 다람쥐와 같이 원형의 DNA를 반복적으로 돌면서 RNA를 생성하게 된다.

이 방법을 이용하면 염기결합수 조절을 통해 RNA 멤브레인의 표면 거칠기 조절이 가능하다. 염기결합수가 적을수록 표면의 거칠기가 증가하며 염기결합수가 매우 적을 때에는 다공성 멤브레인이 형성됨을 확인하였다.

또한 RNA 멤브레인의 영률도 염기결합수 조절을 통해 이루어질 수 있다. RNA 멤브레인은 100 MPa의 영률을 가지고 있으며, 염기결함수가 적을수록 더 낮은 영률을 가짐을 확인하였다.

원형 DNA 농도 조절을 통해 RNA 멤브레인의 두께 조절도 가능하다. 높은 농도 (3 µM)의 원형 DNA는 6µm 두께의 RNA 멤브레인을 형성하며, 보다 낮은 농도 (1.5 또는 0.3 µM)의 원형 DNA는 5 또는 3µm 두께의 멤브레인을 형성했다.

RNA 멤브레인은 무수히 많은 이중결합 RNA를 포함하고 있다. 항암제 독소루비신이 이러한 RNA 이중결합 사이로 끼어드는 성질을 이용해 RNA 멤브레인으로 독소루비신을 치료부위에 효과적으로 전달할 수 있음을 확인하였다.

RNA 염기서열 변화를 통해, 무수히 많은 양의 작은간섭리보핵산(siRNA)을 포함한 RNA 멤브레인을 제조할 수 있다. 제조된 RNA 멤브레인은 치료부위에서 리보핵산가수분해효소에 의해 효과적으로 분해되며, 무수히 많은 양의 작은간섭리보핵산을 생성할 수 있음을 확인하였다.

3. 기대효과

RNA 멤브레인은 산업 및 의료 분야에서 폭 넓게 사용될 수 있는 다양한 RNA 구조물 제작의 발판이 될 것이라 기대한다. 특히 건조된 RNA 멤브레인은 필름 같은 얇은 막 형태로 조작이 간편해 활용이 용이할 것으로 기대된다. 특히 멤브레인의 형태적 장점을 이용한 RNA 패치와 같은 새로운 개념의 RNA 약물치료제 개발에 실마리가 될 것으로 기대된다.

이번 연구결과를 통해 RNA 멤브레인은 RNA를 이용하여 거시적인 크기의 구조물을 제작할 수 있음을 보여주었다. 또한 RNA 멤브레인의 제조기술은 추후 연구를 통해 더욱 다양한 형태의 RNA 구조물 제작의 발판이 될 것이라 기대한다.

연 구 결 과 문 답

용 어 설 명

1. 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)

○ 네이처출판그룹(Nature Publishing Group, NPG)에서 발행하는 생물학, 물리학, 화학 등 다양한 분야를 소개하는 국제학술지

2. 롤링-써클 복제(Rolling circle replication, RCR)

○ 원형(circle)의 DNA를 중합효소가 따라 돌면서 상보적인 염기서열을 갖는 DNA 또는 RNA를 복제하는 과정으로 다람쥐가 쳇바퀴를 도는 것과 비슷한 원리이다.

○ 선형(linear)의 DNA를 바탕으로 복제하는 방식에 비해 월등히 많은 양을 복제해 낼 수 있다.

○ RNA 중합효소를 이용해 RNA를 만드는 롤링-써클 전사(Rolling circle tranion, RCT) 기술과 DNA 중합효소를 이용해 DNA를 만드는 롤링-써클 증폭(Rolling circle amplification, RCA) 기술이 있다.

3. 영률(Young's modulus)

○ 물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때, 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률로 물질의 고유한 특성 중 하나이다.

4. 작은간섭리보핵산(siRNA)

○ 특정 단백질 생산에 관여하는 mRNA(messenger RNA)와 결합하여 해당 단백질에 대한 정보를 담고 있는 유전자의 발현을 억제하는 짧은 가닥의 RNA.

○ 대부분 20 ~ 25개의 염기로 구성되어 있으며 유전자 치료 연구에 이용된다.

그 림 설 명

그림 1. RNA 멤브레인 제작과정

(위) 전자현미경을 통해 RNA 멤브레인이 막 형태를 잘 유지하는 것을 볼 수 있다.

(아래) 먼저 긴 RNA를 생산하여 결합시키는 상호결합 롤링-써클전사(cRCT) 후 이들의 추가적인 자기조립을 유도하는 증발유도자기결합(EISA)으로 RNA 멤브레인이 만들어지는 과정을 나타낸다.

그림 2. 필름처럼 얇은 막 형태로 건조된 RNA 멤브레인. 관찰이 쉽도록 RNA 염색약(GelRed, 붉은색)을 이용하여 염색하였다.