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출처: biozine

노화 연구와 프로테오믹스의 접목

제노마인 주식회사 프로테오믹스팀 수석 연구원
김동수(dskimi@postech.ac.kr)

생물학 연구의 새로운 경향

현재의 생물학 관련 연구는 연구의 결과로 얻어지는 정보들을 어떻게 체계화하 고 저장하며 이들을 어떻게 활용하는가에 초점이 모아지고 있다. 지식 정보화 사회에서의 생물학 정보는 양적인 면에서 종래보 다 대량으로 만들어지고 있으며 그 정보 생산 속도 또한 매우 빠른 속도로 진행되고 있다. 이러한 현상은 인간 게놈 프로젝트가 발효 된 이후 인간의 유전자 염기서열이 완전히 해독이 되고 있는 현 시점에서 더욱 본격화되고 있음을 알 수 있다. 인간의 유전자의 기능 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고 그 결과로 방대한 양의 생물학 관련 정보가 쏟아져 나올 것을 예상한다면 이 결과들을 활용 할 수 있는 효과적인 방안들을 마련해 놓지 않는다면 우리는 생물학 관련 연구에서 또다시 후진성을 면하지 못하게 될 것이다. 뿐만 아니 라 현대 정보사회는 이러한 지적 정보들에 대한 재산권을 확보하려는 경쟁이 치열해지고 있으며 이들을 배타적으로 사용할 수 있게 됨에 따라, 지적 정보를 활용하는 것 뿐만 아니라 정보를 생산하고 이에 대한 권리를 확보하는 노력 또한 절실히 요구되고 있는 것이 다.

생물학 관련 대량 정보 생산방식은 genomics연구의 DNA array, proteomics, CCL(combinatorial chemical library), robotics를 이용한 HTS(high throughput screening), bioinformatics(생물정보학) 기술 등에 의해 주도되고 있으며 이미 많은 양의 생물학 및 의약 관련 정보가 축적되고 있다. 그러나 10만 여개로 추정되고 있는 인간의 유전자중에서 만 여개의 유 전자 만이 그 기능이 알려져 있으며, 그 외 동식물을 포함한 생물계의 나머지 알려지지 않은 부분에 대해서는 앞으로의 연구에 의해서 밝혀져야 할 부분으로 남겨져 있다. 이러한 기능이 알려져 있지않은 유전자의 기능을 연구하는 functional genomics의 한 분야로 서의 proteomics는 유전자 또는 단백질의 기능을 연구하는 효과적인 기술로서 활용되고 있다. Proteomics는 생물학 관 련, 질병관련 유전자 또는 단백질의 발현변화와 변형 상태 또는 생화학적인 활성상태 등에 대한 정보를 대량으로 빠르게 제공 해줄 수 있다. 따라서 이러한 정보 획득 능력을 바탕으로 유용한 정보들을 생산, 축적하며 이 정보들을 효과적으로 활용하여 생물학, 의약관련 연구 및 산업적으로 이용할 수 있도록 하기 위해서는 이러한 대량 정보 생산 방식을 도입하고 빠르게 정착시켜 생물 및 의학 관련 연구능력을 발전시켜야 할 것으로 본다.

프로테오믹스 - 단백질 연구의 새로운 가능성

프로테오믹스라 함은 결국은 단백질의 기능을 연구하는 분야로 기존의 단백질 연 구와 목적상으로 볼 때 크게 다르지 않다. 다만 세포 또는 조직 등을 구성하는 단백질의 전체(프로테옴)를 대상으로 해 서 대량으로 그리고 단백질의 상대적인 양을 훼손하지 않고 분석을 한다는 점에서, 기존의 몇몇 개별적인 단백질을 대상으로 수 행하던 방식과 차이를 가진다고 할 수 있다. 그러나 프로테오믹스에 국한된 것은 아니겠으나 이러한 연구(system biology)의 방법론 은 가설에 의존해서 접근하던 종래의 방식과는 조금 괘를 달리하는 결과를 가져올 것으로 전망하고 있다. 즉 예측되지 않았던 새 로운 정보들로부터 다른 해석을 가능하게 하고 통합된 정보들로부터 새로운 가설들을 빠르게 세워나감으로써 연구 분야에 대한 지 식의 폭과 정보 생산 속도를 가속화할 수 있다는 것이다.

프로테오믹스는 단백질의 분리와 단백질의 동정에 관한 기술이 그 기술적 핵심 을 이루고 있다. 이차원 전기영동법(2D gel electrophoresis)에 의한 단백질 분리와 MALDI-TOF(matrix assisted laser desorption ionization time-of-flight), MS/MS(or tandem mass), ESI(electrospray ionization) MS에 의한 단백질 동정 및 특성연구는 현재의 프로테오믹스를 가능하게 한 중요한 기 술들이며 이들 방법에 대한 보완 또는 대안으로서 LC MS/MS, SELDITM technology(CIPHERGEN) 등이 기술적 발전을 거듭하 고 있다. 각 기술들이 가지는 장점에도 불구하고 이들 각개의 기술들 만으로서는 단백질 연구에서 기 대하는 충분한 기술적 조건들을 만족시켜주지는 못하고 있으며, 여전히 미량 존재(low abundant protein) 단백질들에 대한 분석이 용이하지 못한 기술적 한계점들을 지니고 있다. 또한 현재까지 단백질의 분리능력에 있어서는 가장 탁월한 결과를 보여주는 이차원 전기영동법을 이용한 프로테오믹스 기술은 복잡하고 긴 분석과정 때문에 완전 자동화가 어려운 상황이며 through-put study를 위해서 는 기업형의 설비가 갖추어 져야만 한다.

프로테오믹스 기술이 안고 있는 이러한 한계에도 불구하고, 이 기술을 도입해서 얻을 수 있는 정보의 양은 현재까지로는 지난 십 수년간 이어온 연구의 결과들의 많은 양들을 짧은 시간 내에 얻을 수 있음을 보아 왔고, 이러한 정보의 획득 능력은 단백질 연구의 새로운 돌파구가 찾아지지 않은 한 당분간은 지속될 것이라고 전망되 고 있다.

단백질은 생명활동에서 유전적인 정보를 구현하는 마지막 전달자이며, 단백질은 유전자에 담긴 기능 이상의 것들을 포함하고 있다. 즉 alternative splicing, posttranslational modification 또는 외부적인 자극에 의해서 얻어지는 다양한 기능들은 단순한 유전적인 정보만으로서는 예측할 수 없는 부분들이다. 단백질 발현형태의 다양성은 인간의 유전자 10만개에 대해 약 2천만(혹자는 1억개로 추산함)개 정도의 단백질 형태의 다양성을 가질 것으로 추산하고 있다. 이러한 부분들은 현재의 제한된 단백질 분석기술에 비추어 접근할 수 있는 유전자의 다양성 에는 장애 요소로 작용할 수는 있으나, 동시에 각 유전자의 산물이 갖는 기능적인 다양성 측면에서는 프로테오믹스 연구에 의해 얻을 수 있는 고유의 정보라고도 할 수 있다.

노화, 프로테오믹스 새로운 방법론에 의한 접근.

인간의 노화에 대한 관심은 암정복과 함께 앞으로 생물학 및 의학 분야에서 해결 해야 할 중요한 과제로서 남겨져 있는 것은 주지의 사실이다. 생활 환경 및 의학의 발달로 인간의 평균 수명은 지난 2천년 간 로마에서의 평균수명인 30세에서 점점 증가하여 현재 선진국의 평균 수명은 85세에 이르고 있다. 일본을 비롯해 노령화 사회로 접어 든 선진 각국들은 노인 인구의 문제가 사회적 이슈로 대두 된지 오래다. 단순한 수명연장이 아닌 활동 인구로서의 노인층의 삶의 질 향상을 위한 노력들이 계속되고 있으며, 생물학 및 의학 분야에서는 노화에 대한 생물학적 이해와 연구결과를 바탕으로 한 노인 건 강문제로의 적극적인 접목이 계속적으로 시도되고 있다.

노화에 대한 또 다른 관심은 노화의 진행에 따라 발생 빈도가 높아지는 노화 관 련 질병들에 있다고 할 수 있다.

Age related disease

cancer

cardiovascular diseases

ischemic stoke, atherosclerosis, congestive heart failure, high blood pressure, heart attack

neurological diseases

multiple sclerosis, Parkinson's, Huntington's ,Alzheimer's disease, stroke,

other age related diseases

diabetes

osteoporosis

chronic bronchitis

arthritis

노화는 다중원인성으로, 유전적인 요인과 식습관, 육체적 활동 상태, 질병, 생 활 방식 등 후천인 요인이 복합적으로 작용해 일어나는 과정이다. 이러한 다중원인성에 의해 노화에 대한 접근은 여 러 가지 방식으로 가능하겠지만 분자적인 수준에서의 노화에 대한 연구는 정상적인 노화현상 뿐만 아니라 노화관련 질병들의 발생원인에 대 한 규명으로 진단 및 질병 치료의 단서를 제공해줄 수 있을 것이다.

노화의 현상은 생명체를 형성하는 세포, 조직내의 단백질들의 기능변화와 이들 의 복합적인 작용에 기인할 것임은 분명하다. 유전자의 발현 변화와 단백질의 변형에 대한 분석 기능으로서의 프로테오믹스는 기존의 genomics연구로서 충분하지 못했던 새로운 정보들을 제공해줄 수 있을 것으로 보며 단백질 연구 관련 기술들의 발달과 더불어 더욱 유용한 정보들이 양산될 수 있을 것으로 기대한다.

맺음말

정보화시대에서의 생물 및 의학 관련 연구는 매우 빠른 속도로 발전하고 있으 며, 그 방식 또한 체계적이고 유기적으로 진행되고 있다. 이러한 경향에서 뒤쳐지지 않고 경쟁력을 가지기 위해서는 생물학 연 구 관련 새로운 기술들을 빠르게 도입하고 이를 발전시켜야만 하며 학계와 기업간의 원활한 정보교류가 무엇보다 절실히 요구된다고 할 수 있 다.