바이오인

 

충북대학교 스마트액적바이오칩 글로벌연구실

장수익 (충북대학교 생화학과)

 

 

실험실 소개

본 연구실은 다양한 생물학적 연구에 활용이 가능한 핵심기술을 보유하고 있는데, 그 핵심 기술은 단백질 마이크로어레이(Protein Microarray)기술, 단백질 나노어레이(Protein Nanoarray)기술, 형광편광측정을 이용하여 분자간의 상호작용을 실시간으로 조사하는 기술, 액적기반 미세유체 시스템(Droplet-based Microfluidic System)을 이용한 분석 기술, 그리고 다중마이크로전극어레이(Multiple Microelectrode Array, MMA)를 이용한 일산화질소 실시간 감지 기술 등이 있다.

 

 

그리고 본 연구실의 핵심 연구분야는 신생혈관형성(Angiogenesis), 신생혈관형성유도인자 엔지오제닌의 작용기작, 암 신생혈관을 타켓으로 하는 항암제 스크리닝, 치료용 항체 및 유전자 치료법 개발, 바이오물질의 대량생산 등이 있다.

 

 

 

연구분야

 

 

1. 신생혈관형성 유도인자 엔지오제닌 (Angiogenin)의 작용기작 연구
- 신생혈관형성(Angiogenesis)은 기존의 혈관으로부터 새로운 혈관이 유도 형성되는 과정을 의미한다. 신생혈관형성은 정상적 생리현상인 배 발생, 상처회복, 면역반응, 생식 등에서 일어나고 있지만, 암과 같은 비정상적 병리학적 현상에서도 일어나고 있다. 암의 신생혈관형성(Tumor Angiogenesis)은 암의 성장과 전이에 필수적이다. 왜냐하면, 신생혈관은 암의 이동 통로가 될 뿐만 아니라, 암세포가 영양분의 공급과 노폐물을 배출을 위해 필요하기 때문이다.

 

 

 

엔지오제닌 (Angiogenin)은 신생혈관형성유도인자로서, 1985년 하버드 의과대학의 Vallee박사 연구실에서 세계 최초로 발견되었다. 지금까지 엔지오제닌과 암과의 연관성 등 여러 병리학적 연구 결과가 많이 보고되었지만, 아직까지 정확한 작용 기작이 규명되지 않고 있다. 본 연구실에서는 1) 엔지오제닌의 수용체 (receptor)의 규명, 2) 엔지오제닌의 핵 내 이동 기작 규명, 3) 엔지오제닌의 핵 내 이동에 관련된 단백질과 핵 속에서 직접 결합하는 단백질의 규명, 4) 엔지오제닌의 신호전이 경로의 규명 등과 같은 작용기작 (Mechanism of action) 연구를 수행하고 있다.
한편, 엔지오제닌은 면역 효과, 항박테리아 효과, 항 AIDS 효과, 미백 효과, 발모 효과, 영향 효과 등과 같은 다른 생리학적 활성을 가진다는 여러 연구 결과가 보고되고 있다. 이에 본 연구실에서는 엔지오제닌을 다양한 생리학적 분야에 응용할 수 있도록 대량 생산 (Mass production) 연구를 수행하고 있다.

 

 

 

2. 초고속 스크리닝용 단백질 칩 시스템을 이용한 신약 탐색 방법 연구
- 현재 신약개발에 있어서 중요한 사항은 후보물질들을 빠른 시간 안에 도출하는 것이다. 단백질 칩 시스템은 빠른 시간 안에 다양한 종류의 샘플들을 확인할 수 있는 기술로서, 초고속 신약 후보물질 스크리닝에 활용할 수 있다.
본 연구실에서는 초고속 스크리닝용 단백질 칩 시스템 (High-throughput screening system using protein chip system)을 이용하여 다양한 신약 탐색 연구를 진행하고 있다. 한 예로, 단백질-단백질간의 상호작용을 타겟으로 하는 신약 탐색 연구를 현재 수행하고 있다. 최근, 호서대 강인철교수 연구팀과 함께 인테그린/피브로넥틴 간의 상호작용을 타겟으로 하는 연구를 수행하였다. 이의 결과, 펩타이드 라이브러리로부터 인테그린/피브로넥틴 간의 상호작용을 억제하는 펩타이드를 스크리닝 하였고, 도출한 펩타이드가 신생혈관형성을 억제하는 활성을 가짐을 확인하였다.

 

 

 

3. 액적기반 미세유체 시스템을 이용한 다양한 생물학적 시스템 및 분야 연구
- 미세유체 시스템 (Microfluidics)은 Proteomics, 진단, 신약도출, DNA/Protein 분석, 화합물 합성 등의 다양한 분야에서 활용될 수 있고, ‘극미량의 시료를 사용하면서, 초고속 분석을 할 수 있는’ 장점을 가진 기술이다.
본 연구실에서는 신개념의 액적기반 마이크로플루이딕스 (Droplet-based microfluidics) 플랫폼 기술을 개발하고 있으며, 이 기술은 향후 신약탐색, 현장 질병진단 및 관리, 개인맞춤의약품 개발 등의 다양한 보건 의료 및 생명과학분야 연구에 활용될 것으로 기대된다.

 

 

 

세포에서 일어나는 거의 대부분의 생명현상은 단백질의 작용에 의하여 일어나며 단백질들의 합성, 분해 및 활성 조절은 다른 여러 단백질들 간의 상호작용을 통하여 이루어진다. 따라서 생명현상을 총체적으로 이해하기 위해서는 단백질들 간의 상호작용을 이해할 필요가 있다. 이를 위해서는 단백질 간의 상호 결합을 매우 높은 효율로 찾아내거나 검증할 수 있는 시스템이 필요하다.
본 연구실에서는 액적기반 마이크로플루이딕스 기술을 이용하여 단백질-단백질 상호작용을 세계 최초로 연구하였다. 이의 결과는 국제저널인 ChemBioChem의 표지 논문(2009)으로 게재되었다.

 

 

 

4. 다중마이크로전극어레이(Multiple Microeletrode Array, MMA)를 이용한 세포의 상태 및 반응물질 연구
- 다중마이크로전극어레이는 아래 그림에서처럼 6개의 개별 작동 전극(working eletrode), 1개의 기준 전극(reference electrode), 1개의 상대 전극(counter electrode)로 구성이 되어있으며, 6개의 작동 전극을 통해 시료 측정이 가능한 측정 장치이다.

 

 

 

산화질소(NO)는 NOS(Nitric Oxide Synthase) 효소에 의해 L-arginine로부터 생성되는 물질로 내피세포에서의 이완작용, 신경계 및 면역계에서 중요한 매개물질로 작용을 하며, 특히, 신생혈관형성 유도인자 합성을 유발하며 신생혈관형성을 유도하고 내피세포 분화에도 중요한 역할을 한다.
그런데, 생물학적 조건에서 산화질소(NO)의 감지는 수명이 짧은 산화질소(NO) 분자들의 높은 반응성 때문에 측정이 쉽지 않고, 이제까지 세포내에서의 산화질소(NO)의 농도 측정은 실시간으로 측정하지 못하고, 단순히 반응 전과 후의 고농도의 산화질소(NO) 차이만을 알 수 있는 그리이스 실험법(Griess test)을 사용하였다. 이러한 그리이스 실험법은 Peter Griess에 의해 1858년에 처음으로 개발된 화학분석법으로 NO의 합성지표로 nitrite(NO2-) 생성량을 측정하는 방법이지만, 민감도 및 재현성이 낮은 단점이 있다.
본 연구실에서는 MMA를 이용하여 실시간으로 산화질소(NO)의 농도를 측정하면서 엔지오제닌과 산화질소(NO)의 연관성을 통해 엔지오제닌의 작용기작을 규명을 하였으며, 이 연구결과가 국제저널지인 Biochemistry(2010), Chem.Comm(2011)지에 논문으로 게재가 되었다.

 

 

 

연구성과

 

 

■ 2006년 이후 대표논문

 

Casadevall I Solvas X, Niu X, Leeper K, Cho S, Chang SI, Edel JB, Demello AJ. (2011)
Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms.
J.Vis.Exp. (58).pill:3437.doi:10.379/3437

 

 

Kim JY, deMello AJ, Chang SI, Hong J, O'Hare D. (2011)
Thermoset polyester droplet-based microfluidic devices for high frequency generation.
Lab on a Chip, 11(23):4108-12

 

 

 

Bang JY, Kim EY, Kang DK, Chang SI, Han MH, Baek KH, Kang IC.(2011)
Pharmaco-proteomic analysis of a novel cell-permeable peptide inhibitor of tumor-induced angiogenesis.
Mol Cell Proteomics. 10(8):M110.005264

 

 

Trouillon R, Kang DK, Chang SI, O'Hare D. (2011)
Angiogenin induces nitric oxide release independently from its RNase activity.
Chem. Commun., 47(12):3421-3

 

 

Gao R, Choi N, Chang SI, Kang SH, Song JM, Cho SI, Lim DW, Choo J. (2010)
Highly sensitive trace analysis of paraquat using a surface-enhanced Raman scattering microdroplet sensor.
Anal Chim Acta., 681(1-2):87-91

 

 

Raphael Trouillon, Dong-Ku Kang, Hyun Park, Soo-Ik Chang, and Danny O’Hare. (2010)
Angiogenin Induces Nitric Oxide Synthesis in Endothelial Cells through PI-3 and Akt Kinases.
Biochemistry, 49(15):3282-3288

 

M. Srisa-Art, D.K. Kang, J. Hong, H. Park, R.J. Leatherbarrow, J.B. Edel, S.I. Chang, A.J. deMello. (2009)
Analysis of protein-protein interactions by using droplet-based microfluidics.
ChemBioChem.,10(10), 1605-1611

 

 

 

K.A. Dickson, D.K. Kang, Y.S. Kwon, J.C. Kim, P.A. Leland, B.M. Kim, S.I. Chang, R.T. Raines. (2009)
Ribonuclease inhibitor regulates neovascularization by human angiogenin.
Biochemistry, 48(18), 3804-3806

 

 

 

E.Y. Kim, J.Y. Bang, S.I. Chang, I.C. Kang. (2008)
A novel integrin alpha5beta1 antagonistic peptide, A5-1, screened by protein chip system as a potent angiogenesis inhibitor.
Biochem. Biophys. Res. Commun., 377(2008), 1288-1293

 

 

 

M. Lee, H.K. Yang, K.H. Park, D.K. Kang, S.I. Chang, I.C. Kang. (2007)
Measurement of interaction force between nanoarrayed integrin alpha(v)beta(3) and immobilized vitronectin on the cantilever tip.
Biochem. Biophys. Res. Commun., 362, 935-939

 

 

 

M. Lee, D.K. Kang, H.K. Yang, K.H. Park, S.Y. Choe, C. Kang, S.I. Chang, M.H. Han, I.C. Kang. (2006)
Protein nanoarray on Prolinker surface constructed by atomic force micros dip-pen nanolithography for analysis of protein interaction.
Proteomics, 6, 1094-1103

 

 

 

■ 국제공동연구 프로젝트 실적

 

- 한영 협력창구사업 : 영국의 생명과학분야 연구자들과 2007년부터 5년 동안 국제공동연구 진행

 

- 글로벌연구실 사업 : 2009년 7월 교육과학기술부로부터 선정이 되어 영국 Imperial College London , 스위스 ETH Zurich 와 국제공동연구진행

- KORANET Project : 2010년 독일, 오스트리아의 줄기세포 연구자들과의 교류를 통해 국제공동연구를 위한 기반 구축

- EU FP 7 참여 지원 사업 : 다자간 국제공동연구 프로젝트인 EU FP 7에 참여를 위한 지원 사업을 통해 독일, 오스트리아, 영국 측 연구자들과 활발한 교류 진행

 

 

실험실 멤버들

 

지도교수 : 장수익 교수

박사후연구원: 박 현

 

석사후연구원: 김태인, 민경미

박사과정: 김관배, 최재원

석사과정: 이선영, 김규완, 변상경

 

Contact :043-261-2318(Tel.),043-267-2306(Fax) | Homepage

 

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