바이오인

핵심내용

DNA 나노구조체로 단백질을 세포 내부에 전달
- 세포 내 특정 물질을 표적하는 단백질 신약 개발에 응용 -

□ 세포 내 질병 타겟에 단백질 치료제를 전달하는 기술이 향상되었다. 김학성 교수‧류이슬 박사(KAIST), 이중재 교수(강원대), 강정애 박사(한국원자력연구원) 연구진이 DNA를 기반으로 나노 구조체를 개발해 세포 속으로의 단백질 전달 효율을 높였다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 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 선행되어야 한다.

 ㅇ 지금까지는 화학적 합성법 등으로 단백질 전달체를 제작해 왔지만, 생체 독성, 낮은 전달 효율, 복잡한 제조공정과 효과가 일관적이지 않은 재현성 등이 해결되어야 할 과제로 남아있다.

□ 연구팀은 생체 분자인 DNA를 기반으로 나노 구조체를 제작하여, 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.

 ㅇ 제조공정도 복잡하지 않다. 먼저 금 나노입자 표면에 DNA를 부착한다. 그 다음 징크 핑거*를 이용하여 각 DNA 가닥에 암 세포를 표적하는 생체분자와 항암 단백질을 결합시켜 제작되었다.
    * 징크 핑거(zinc finger) : DNA의 특이적 염기서열을 인식하여 결합하는 단백질

 ㅇ DNA와 징크 핑거 간의 상호작용을 이용하므로, DNA 서열과 길이를 조절하여 나노 구조체에 탑재되는 단백질의 양을 손쉽게 조절할 수 있다.

□ 김학성 교수는 “생체 적합한 소재인 DNA와 단백질의 상호작용을 이용하여 세포 내로 단백질을 효율적으로 전달하는 새로운 나노 구조체를 개발한 것”이라며, “세포 내 단백질 치료제의 전달 뿐 아니라 동반 진단용으로 광범위하게 활용될 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(글로벌연구실, 중견연구, 생애첫연구) 지원으로 수행되었다. 권위 있는 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 12월 28일 표지논문으로 게재되었다.

상세내용

 □ 논문명, 저자정보

논문명
Programed Assembly of Nucleoprotein Nanoparticles Using DNA and Zinc Fingers for Targeted Protein Delivery
저  자
류이슬(KAIST, 제1저자), 강정애(한국원자력연구원, 제1저자), 김다솜(KAIST), 김송래(KBSI), 김성민(강원대), 박승지(강원대), 권승해(KBSI), 김길남(KBSI), 이동은(한국원자력연구원), 이중재(강원대, 교신저자), 김학성(KAIST, 교신저자)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 최근 세포 내 다양한 질병 표적이 발굴되고 있어 이를 타겟하는 치료제 개발에 많은 관심이 집중되고 있다. 단백질 의약품은 저분자 화합물에 비해 특이성이 매우 높아 치료 효과가 우수하지만 크기나 표면 전하 등의 이유로 세포 내 전달이 매우 제한적이다. 기존의 단백질 전달 방법은 대부분 화학적 소재를 이용하고 있어 높은 독성을 나타낼 뿐 아니라 화학합성으로 인해 균일성이 낮거나 탑재하는 단백질의 양을 조절하기가 어렵다. 따라서 단백질을 세포 내로 효율적으로 전달하고자 다양한 기술 개발이 진행되었지만 아직 해결해야 할 문제가 많은 상황이다.

  ○ 나노 크기를 갖는 나노 구조체의 이용은 다기능성 등의 여러 가지 장점 때문에 많이 연구되었다. 최근에는 화학소재가 갖는 독성을 극복하고자 생체 적합성이 높은 생체 분자의 자기 조립능을 이용한 나노 구조체가 각광을 받고 있다.

  ○ 연구팀은 생체 적합성이 뛰어난 DNA와 단백질의 특이적 상호작용을 이용하여 나노 구조체를 개발하였으며, 이를 암 동물모델에 적용하여 높은 전달 효율을 확인하였다. 

 2. 연구내용
  ○ 이 연구에서는 DNA와 징크 핑거(zinc finger) 사이의 특이적 상호작용을 이용하여 균일성을 높이고 세포 내로 단백질을 효율적으로 전달할 수 있는 나노 구조체를 개발하였다. 징크 핑거는 DNA의 특이적 염기 서열을 인식하여 결합하는 단백질이다.

  ○ 구체적으로 먼저, 금 나노 입자 표면에 세포 표적용 생체분자와 치료용 단백질을 결합할 수 있는 DNA를 결합시켰다. 다음으로 서로 다른 DNA 서열을 인식하는 두 종류의 징크 핑거를 세포 표적용 생체분자와 단백질 치료제에 유전적으로 융합한 단백질을 제작하였다. 제작된 융합 단백질은 징크 핑거와 DNA의 상호작용에 의해 특정 DNA에 결합됨으로써 나노 구조체가 제작되었다. 다양한 영상 기법과 분석 방법을 통해 나노 구조체의 형성과 특징을 확인하였고, 탑재된 단백질의 양을 정량적으로 확인하였다.

  ○ 특히 나노 구조체는 DNA 분자 내 징크 핑거 결합 서열의 개수를 조절함으로써 탑재되는 단백질의 양을 조절할 수 있다. 세포 표적 용 생체분자와 항암 효능이 있는 단백질을 이용하여 나노 구조체를 제작하였고 이를 다양한 세포에 적용하여 나노 구조체의 세포 특이적 전달 및 범용성을 확인하였다. 나노 구조체를 폐암 동물 모델에 적용하여 높은 항 종양 효과를 확인하였다. 나노 구조체는 세포 수준 및 동물 모델에서 독성을 나타내지 않았다.

 3. 기대효과
  ○ 이 연구에서 개발된 생체분자 기반 나노 구조체는 기존의 단백질 전달 시스템이 갖는 문제점을 극복하며 세포 내로 단백질을 효율적으로 전달할 수 있는 새로운 개념의 자기 조립체이다.

  ○ 개발된 나노 구조체는 다양한 단백질 치료제에 적용 가능한 기반 기술이며 향후 치료용 RNA, 펩타이드에도 활용 가능하기 때문에 다양한 치료제의 임상 개발이 기대된다.

...................(계속)

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