바이오인

생물학분야의 태동이래 유전자발현에 관한 연구는 늘 연구중심에 서있는 중요한 화두이다. 기초생물학 분야에서부터 응용에 이르기까지 유전자 발현조절이나 기작, 논리의 이해는 세포를 제어하거나 조종하기 위한 바탕이 되기 때문이다. 따라서 유전자발현에 관한 새로운 기술이나 기법은, 세포의 근본적이며 내재적인 발현논리의 이해를 바탕으로 공학적 설계에 의한 발현품질 규격화나 표준화 (자연적으로는 난발현되나 재설계에 의해 일정 양 이상으로 인위적인 발현을 유도하는) 노력을 통해 다양한 연구그룹에서 시도되고 있다. 이러한 연구동향은 DNA, RNA, 그리고 단백질과 같은 생물소재를 표준화된 부품으로 이용할 수 있는 강건한 구동요소를 지니게 설계하고, 세포에 도입하여 목적산물의 생산이나 제어를 가능하게 하는 현 생물학의 핵심연구 분야 즉, 합성생물학의 주된 목표와도 잘 부합되는 주제이다 (Andrianantoandro, Basu et al. 2006). 이러한 합성생물학 연구를 통해 제작된 생물(주로 미생물)은 수 마이크로미터 내외의 공간(단일세포)에 도입된 체계적인 생물소재 설비를 이용하여, 기존의 석유화학을 이용하여 생산되던 각종 화학물질을 비롯한 소재/의약용 단백질 등, 다양한 목적산물 생산에 이용되기 때문에 세포공장 (cell factory) 이라 지칭하기도 한다. 이러한 과정의 성패여부는 전술한 유전자 발현의 규격화 요소를 지닌 표준화 작업이 결정한다.

2. 다기능 단백질 소재 하이드로포빈의 산업적 가치

1991년 Schizophyllum commune에서 최초로 분리된 하이드로포빈은 아미노산 100~150개 정도의 작은 단백질로 주로 균사형 곰팡이에서만 발현된다. 진균류의 균사 형태형성과정에서 이러한 단백질은 소수성을 띄어, 단량체가 외부에 분비되면 자가조합 (self-assembly)이 일어나 소수성의 표층을 형성한다. 결과적으로 양친매성 다량체를 구성하여 균사 표면을 코팅한다. 이는 주변 환경변화에 대한 대응을 가능하게 함은 물론, 세포벽과 공기층 혹은 세포벽과 고체 표면사이의 계면에 위치하여 포자형성이나 자실체 발달, 그리고 감염구조 (숙주침입) 형성 과정에서 기능을 발휘하는 것으로 보고되어 있다 (Bayry, Aimanianda et al. 2012).

생물소재산업에서 일반적인 단백질에 비해 상대적으로 작은, 하이드로포빈에 주목하는 주된 이유가 상기한 특성에서 비롯된다. 즉, 하이드로포빈 고유의 소수성과 양친매성은 물체 표면에 소수성 코팅을 가능하게 하기 때문에, 안정되고 균일한 거품(기포, 기낭)이 필요한 화장품과 식품(맥주와 같은 거품 질감표현이 중요한 식음료 등) 제조에 적용할 수 있다. 또한 포유류를 비롯한 다양한 고등 생명체에서 면역회피 기능을 지니고 있기 때문에 의료용 코팅제로서의 개발 가능성도 있다. 더불어 강한 자기조합능을 지녀 식품의 민감한 생물학적 구성분을 포집해 생체적용 나노구조물 기능성 입자를 제조할 수 있어, 식품제조업이나 나노체 포장이 필요한 많은 산업분야에 차세대 혁신 기술로 대두되고 있다. 또한 화장품과 페인트 같은 나노기술의 응용에 의존하는 많은 영역까지 활용 가능성이 높아지고 있는 추세이다. 하지만 하이드로포빈 생산공정이 원균주인 곰팡이 자체를 이용하여 대량배양한 후, 정제하는 방법에 의존적인 것으로 알려져 있다. 이종숙주에서 하이드로포빈 생산이 어려운 이유는, 단백질 일차구조상에 존재하는 상보적인 8개의 시스테인 잔기가 3,4 차 구조를 형성함에 있어 필연적으로 정확한 이황화결합이 이루어져야 하고, 이들 단백질이 세포 내에 쌓였을 때 숙주세포 생장에 부담을 주는 이유에 기인하는 것으로 알려져 있다 (Linder, Szilvay et al. 2005).