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2021년 주목할 바이오분야 7개 기술

출처 생명공학정책연구센터 조회수 1750
발간일 2021-02-09 등록일 2021-02-09
첨부파일

BioINwatch21-10(2.9)●2021년 주목할 바이오분야 7...(193.722 KB)

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 BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 21-10

2021년 주목할 바이오분야 7개 기술
 

 

 ◇ 최근 네이처(Nature)는 7명의 전문가(인공후각 기술분야 서울대 이종현 교수 포함)들에게 2021년 주목해야 할 기술에 대해 인터뷰. 열에 안정한 백신, 더 나은 항체, 냄새로 질병을 진단하는 기술 등 코로나19 고려사항은 2021년 주목할 만한 기술개발에 영향을 끼칠 것으로 전망
▸주요 출처 : Nature, Seven technologies to watch in 2021, 2021.1.23. 
 
□ 네이처(Nature), 2021년 주목할 7대 기술 선정  
 
○ 코로나19의 영향력이 클 것으로 전망되는 가운데 백신의 발전에서 인공후각, 신경과학에 이르기까지 연구자들은 자신의 전문분야에서 2021년 주목할 만한 7개 바이오기술에 대해서 트렌드와 발전전망을 예측 
 
 <2021년 주목할 바이오분야 7대 기술 및 발전전망> 
 

기술분야

제안자 및 발전전망

열에 안전한 백신

(Thermally stable vaccines)

NICK JACKSON

Head of programmes and technology for research and development at CEPI in London

 

지난해 ModernaPfizer의 코로나19 mRNA 백신은 기록적인 속도(임상1상까지 4개월이 채 소요되지 않음)개발되었고, 긴급사용승인을 통해 이미 세계 곳곳에서 사용 중

올해 mRNA 백신개발의 혁신은 지속될 것으로 전망되는데, 그 중 하나가 mRNA를 전달하는 나노입자에 이온화가 가능한 지질을 사용하는 것으로, 생리적 pH에서는 중성을 유지하다가 세포 내 산성환경에서 mRNA를 방출

개발 중인 차세대 이온화 지질 나노입자는 특정 세포나 조직 표면의 수용체를 표적으로 mRNA 백신 전달 가능

또 다른 혁신으로는 접근성을 향상시키는 것으로, 백신 구조에 변형없이 효율적으로 동결건조하여 쉽게 보관하고 이동이 가능한 형태로 개발

접근성을 높이기 위해 휴대용의 RNA 프린팅기술이 개발 중. CEPI는 완전히 이동 가능한 mRNA 생산장비 개발을 위해 CureVac3,400만 달러를 투자

뇌의 홀로그램

(Holograms in the brain)

OFER YIZHAR

Systems neuroscientist at the Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel

 

특정 뇌세포 및 회로 활동을 제어하는 기술인 광유전학 (optogenetics)2005년에 등장한 이후 신경과학 분야에서 큰 반향을 일으켰으며, 2021년에는 이러한 도구가 더 큰 영향을 미칠 것으로 예상

광유전학으로 특정 유형의 뉴런을 조작할 수 있지만 여전히 서로 통신하는데 사용되는 세포 분석이 제한됨. 이러한 단점을 해결하기 위해 새로운 빛에 반응하는 단백질을 개발

동시에 살아있는 조직의 고해상도 이미징 기술, 단일뉴런 조작을 위한 홀로그래피 등 광학적 접근방식이 발전하면서 뉴런을 3차원의 복잡한 시간 패턴으로 정밀하게 분석 가능

기존에는 관련 노하우를 가진 전문 실험실에서만 연구가 가능했으나, Bruker 3i와 같은 현미경 회사가 2-광자(two-photon) 이미징 시스템에 홀로그래피를 통합한 장비를 제공함에 따라 신경과학자들이 보다 정교하게 뉴런을 표시하고, 활성화 패턴의 홀로그램을 생성

광유전학 도구 및 광학기술의 융합 개발을 통해 단일뉴런과 신경코드를 정밀하게 탐색할 수 있을 것으로 기대

 

더 우수한 항체

(Building better antibodies)

ALICIA CHENOWETH

Cancer immunologist at King’s College London, UK and co-chair of the 2022 Antibody Biology and Engineering Gordon Research Conference

 

항체는 1990년대 중반부터 치료제로 사용되어 왔지만, 항체 구조가 기능에 어떻게 영향을 미치는지 알아내면서 그 잠재력을 발견하기 시작한 것은 불과 몇 년 사이의 일

대부분 항체치료제는 바이러스 또는 종양세포 표면의 특정 표적에 결합하는 규칙적이고 변형되지 않은 형태이나, 이런 항체는 표적물질을 제거하기 위해 면역세포와 결합하기에는 효과적이지 않음

하지만 분자생물학의 발전으로 항체를 신속하게 변형시켜 질병을 퇴치하기 위해 면역체계를 더 잘 활용할 수 있게 됨

이를 위해 빠르고 효율적인 분자복제 방법인 PIPE(polymeraseincomplete primer extension) 플랫폼을 활용하여 항체에 점 돌연변이를 도입하여 기능이 우수한 항체를 제작

또 다른 접근방법으로 대부분 치료용 항체는 IgG 기반이나, 강력한 면역반응을 기대할 수 있는 IgE 기반의 항체 치료제 개발

항체의 장점은 다양한 표적을 대상으로 거의 모든 질병에 적용 가능한데, , 면역, 알레르기 뿐 만 아니라 코로나19포함한 감염병 치료제로서 가능성은 무한할 것으로 전망

3가지 새로운 단일세포 시퀀싱기술

(The single-cell power of three)

CORAL ZHOU

Cell and developmental biologist at the University of California, Berkeley and co-chair of the 2021 Chromosome Dynamics Gordon Research Conference

 

인체세포의 다양한 기능은 모두 단일세포와 단일게놈에서 시작. 배아발달 초기단계에서 이러한 현상을 분석할 수 있는 3가지 새로운 단일세포 시퀀싱기술에 기대

하나는 게놈의 3D 구조를 연구하는 방법인 Hi-C를 사용하여 마우스 배아의 단일세포에서 모성 및 부계 염색체를 검사. 이 기술로 지난해 3월 연구자들은 수정 직후에 게놈이 혼합되지 않는다고 보고

CUT & Tag이라는 또 다른 기술은 게놈의 특정 생화학적 '표지(marks)'를 추적하여 화학적 변형이 개별 라이브 세포에서 유전자를 켜고 끄는 방법을 연구하는 데 도움

SHARE-seq는 두 가지 시퀀싱 방법을 결합하여 전사 활성화 분자가 접근 가능한 게놈 위치를 확인하는 기술

이러한 도구와 기술을 발달 중인 배아에 적용함으로써 게놈 구조의 특정 기능이 세포 운명을 어떻게 결정하는지 로드맵을만드는 데에 기여할 것으로 전망

세포의 힘 측정

(Feeling the force)

TAKANARI INOUE

Synthetic cell biologist at the Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, Maryland, and was a co-organizer of the Tools and Devices for Cell Biology subgroup for the American Society for Cell Biology 2019 conference

 

세포는 물리적 힘을 감지하여 유전자 발현, 증식, 발달 및 암을 조절하는 등 세포에 관한 힘은 그 효과만 관찰할 수 있었지만,

2개의 최첨단 도구를 사용하여 살아있는 세포의 힘을 시각화하고 조작함으로써 이전에는 알 수 없었던 물리적 힘과 세포기능 간의 관계를 연구 가능

Imperial College London에서 개발된 GenEPi는 두 분자를 융합한 기술로, Piezo1이라고 불리는 이온 채널은 칼슐 이온의 움직임을 통해 세포막의 장력을 감지하고, 두 번째 분자는 이온이 칼슘에 결합할 때 형광을 발하여 힘을 감지

이전에는 물리적 프로브 또는 기타 침습적인 방법으로 힘이 세포에 미치는 영향을 연구했지만 GenEPi를 사용하면 생리학적으로 온전한 세포 상태에서 연구가 가능하며,

세포질 칼슘을 광범위하게 모니터링하는 이전 센서와 달리 GenEPiPiezo1을 통한 힘 감각과 관련된 칼슘 활동만 측정

두 번째 도구인 ActuAtor는 병원성 박테리아인 Listeria monocytogenes의 단백질 ActA를 사용

박테리아가 포유류 숙주세포를 감염시킬 때 ActA는 숙주의 단백질 합성 시스템을 이용하여 액틴을 만들어 내는데, 이것은 박테리아를 밀어내는 힘을 생성

화학적 자극으로 세포 내 특정 부위에서 액틴을 합성하는 ActuAtor를 사용하면 세포 내부 깊숙이 힘을 가할 수 있음

ActuAtor는 살아있는 세포에서 세포기관을 타겟팅하여 비침습적으로 변형하는 최초의 도구 중 하나로 평가

임상 현장에서의 질량분석

(Mass spec in the clinic)

LIVIA SCHIAVINATO EBERLIN

Analytical chemist at the University of Texas at Austin, co-founder and chief scientific officer at Genio Technologies, Tulsa, Oklahoma, and vice co-chair of the 2021 Chemical Imaging Gordon Research Conference

 

질량분석(mass spectrometry)은 복잡한 시료에서 분자를 높은 감도로 빠르게 분석하는 기술로, 기초연구에서는 조직을더 깊이 분석하기 위해 기술이 고도화되고 있고, 임상 현장에서는의사가 임상결정에 활용할 수 있도록 단순화되는 추세

MALDI(matrix-assisted laser desorption / ionization)는 조직분석에 사용되는 유용한 질량분석 이미징 기술이나, 조직에서 분자를 추출하고, 진공 상태에서 이온화 필요

2017년에 진공 상태가 아닌 일반 대기에서 분자를 이온화할 수 있는 MALDI 시스템을 개발. 이는 MALDI 프로세스를 단순화하고 다양한 기술*과 융합을 가능하게 함

* in situ 형광기술(fluorescence in situ hybridization micros), 생물발광 이미징(bioluminescent imaging), blockface imaging, MRI(magnetic resonance imaging)

이러한 다중모드 기능을 통해 더 큰 분자와 조직학적 정밀도로 숙주-미생물 상호작용 및 대사변화를 분석 가능

정상조직과 종양조직을 구별할 수 있는 대사산물에 중점을 두어 외과의가 종양 조직과 그 경계를 식별하는 데 도움이 되는 휴대용 질량분석시스템 인 MasSpec Pen을 제작

올해 유방암, 난소암, 췌장암 수술 또는 로봇 전립선 암 수술을받는 사람들에게 MasSpec Pen을 계속 평가할 계획이며, 해당 연구팀은 이 기술을 Genio Technologies에 기술이전

냄새로 질병 포착하기

(Sniffing out sickness)

JONG-HEUN LEE

Materials scientist at Korea University, Seoul, and a steering committee member for the 2021 International Meeting on Chemical Sensors

 

코로나19를 포함하여 질병이나 환경위험에 관한 가스 혼합물을감지하기 위해 인간의 후각을 모방하는 기술을 개발 중

시각, 청각 및 촉각과 달리 냄새에 대한 화학 센서는 매우 복잡하고 민감하여 후각은 미량 농도에서 수백 또는 수천 가지 화학 물질의 혼합물을 감지

해당 연구실은 인공후각 차세대기술 중 하나로 이중층으로 센서를 설계하여 가스 감지 재료의 다양성을 높이기 위해 연구

예를 들어, 10개의 서로 다른 감지 물질 각각을 10개의 촉매 층으로 코팅하여 각 물질의 가스 감지 특성을 미세 조정하여 총 10x10 또는 100개의 서로 다른 센서를 제작

또 다른 기술은 후각 센서가 빠르게 반응을 전달하도록 하는 전략으로, 광합성을 위해 햇빛을 많이 흡수하도록 표면적을 최대화한 나무 또는 작은 부피로 넓은 표면적을 가진 폐는 기도 혈관의 전달력을 최대화한 것과 같이 자연의 계층모델을 모방하여 다공성의 센서를 제작

인공후각 기술은 천식 환자의 호흡에서 더 높은 농도의 산화질소를 감지하는 의료 진단 뿐만 아니라 대기오염 모니터링, 식품품질 평가 및 식물호르몬의 신호를 기반으로 한 스마트 농업에도 응용 가능

 
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