바이오인

질병 치료를 위한 인공단백질 개발

◈ 목차

1. 서론

2. 본론

 2.1. 인공단백질 개발

  2.1.1. 화학적 변형

  2.1.2. 조효소 도입

  2.1.3. 유전자 재조합

  2.1.4. 화학 합성

  2.1.5. 촉매 항체

  2.1.6. 인공단백질 설계

 2.2. 질병 치료용 인공단백질 개발

  2.2.1. 항체 기반 인공단백질

   2.2.1.1. 이중특이성 인공항체

   2.2.1.2. SARS-CoV-2 특이적 인공항체

  2.2.2. 효소 기반 인공단백질

   2.2.2.1. 인공적으로 설계한 생물 발광 효소

   2.2.2.2. 면역세포 활성 억제 저해 효소

   2.2.2.3. 인공 금속 효소

  2.2.3. 의약학 분야에서의 인공단백질 활용

   2.2.3.1. 인공적으로 설계된 인슐린

   2.2.3.2. 암세포 사멸

   2.2.3.3. 만성창상 치료

   2.2.3.4. 바이러스의 당 결합 차단

  2.2.3.5. 인공단백질을 이용한 의약품 투여 조절

3. 결론

4. 참고문헌

◈본문

1. 서론

인체 내부에 존재하는 단백질, 핵산, 당, 지질을 포함한 다양한 생체 분자는 상호 간에 유기적으로 연관되어 기능한다. 이 중에서 단백질은 생체내에서 다양한 복합체를 형성하며 기능하는 생체내 고분자인데, 인체 내에 존재하는 유용한 단백질과 유사한 기능을 갖거나, 그 기능성이 더욱 특화된 고기능성 단백질이 제조되어 의약품, 식품, 공업 분야 등 폭넓은 분야에서 실용적으로 사용되고 있다. 단백질의 기능성 향상을 위해 다각도의 연구가 수행되고 있는데, 예를 들어 단백질의 일종인 효소의 경우, 높은 작용기 선택성 및 입체 구조 선택성을 보유하며 상온, 상압, 중성 조건에서 활발히 반응이 일어나는 효소가 설계, 개발되고 있다. 또한 대표적인 고기능성 단백질의 일종인 항체는, 항원 결합성 및 선택성이 높은 재조합 항체의 개발이 활발하다. 이러한 단백질 및 단백질 복합체를 자유자재로 디자인하여 종래의 단백질이 함유하고 있는 기능을 보다 향상시키거나, 새로운 기능을 갖는 신규 단백질을 제작하는 것이 가능하다면 그 기술은 바이오의약학 분야를 선두로 한 다양한 연구 및 실용 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있다.

이러한 기술 개발에 대한 연구가 점차적으로 확장되고 있는데, 그중 주목할 만한 것 중 하나가 바로 인공단백질이다. 인공단백질이란 인공적으로 설계된 아미노산 배열로 구성된 단백질[1] 또는 기존의 단백질에 화학적 또는 유전자공학적 방법으로 변형을 가해 그 기능을 변화시킨 단백질[2]을 일컫는다. 단백질의 유전자 서열 정보를 기반으로 하여 아미노산을 수정한 후 재조합하여 만들어지기 때문에 재조합 단백질이라고도 불리는데, 이 경우는 수정한 유전자로 대장균 및 동물세포를 형질전환한 후 배양한 다음 생성되는 단백질을 정제하여 만들어지며 만들어지는 것이 일반적이다. 원하는 활성을 보유하는 단백질을 새롭게 발굴하거나, 단백질의 입체 구조 및 효소의 기질 인식 부위를 규명하기 위해 단백질을 변형시킨 변이체를 제작하는 등의 기술이 기반이 된 인공단백질 연구가 활발히 이루어지고 있다. 인공단백질을 생성하는 방법으로는 1) 아미노기, 카르복실기, 또는 티올기 등의 단백질의 작용기에 결합하는 분자를 사용하여 단백질의 작용기를 비특이적 또는 특이적으로 변화시키는 방법 2) 단백질을 몇 개의 짧은 프라그멘트 또는 펩타이드로 분리한 후 그중 특정 아미노기를 치환 또는 변형시킨 다음 프라그멘트 또는 펩타이드를 재결합하여 본래의 단백질의 구조로 재전환시키는 방법 3) 유전자클로닝 등을 구사하여 단백질을 형성하는 염기배열을 변화시킴으로써 DNA가 단백질로 전사번역되기 전 단계에서 원천적으로 유전자를 수정하는 방법 4) 화학적으로 단백질을 합성하는 방법 5) 촉매 항체를 제작하는 방법 등이 있다 [2].

이러한 연구를 통해 얻은 정보를 바탕으로 단백질의 기능을 개선시키거나 기존에 없던 기능을 추가하여 새로운 단백질을 개발할 수 있으며, 더 나아가서는 이렇게 제작한 인공단백질에 색소, 치료제 등의 기능성 분자를 융합시킴으로써 궁극적으로 제작한 인공단백질을 바이오 소자, 의약품 재료 등으로 사용하는 등 질병 진단 및 치료를 포함한 바이오의약학 분야에 널리 활용된다. 의료용으로 사용된 대표적인 인공단백질의 예로는 인슐린과 같은 호르몬을 인공적으로 제작한 것을 들 수 있으며, 이는 인류의 건강 증진에 큰 영향을 끼쳤다. 또한 최근 SARS-CoV-2의 발생 이후로는 항체공학을 기반으로 하는 인공단백질 개발 분야와 관련한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다. 질병의 진단 및 치료를 위하여 사용되는 인공단백질은, 인공단백질 그 자체를 체내에 투여하는 방법, 인공단백질의 구성 요소를 체내에 투여한 후 외부 유래 물질이 체내로 들어와 질병을 야기하는 경우 체내에서 단백질로 합성되도록 하는 방법(예를 들어 SARS-CoV-2의 표면에 특이적으로 결합하는 항체가 체내에서 생성되도록 사전에 해당 항체의 mRNA를 백신으로 투여하는 방법) 등으로 분류될 수 있다.

인공단백질은 저분자 물질을 포함한 기존의 의약품과 비교하였을 때 보다 높은 특이성과 긴 반감기로 투여 횟수를 줄일 수 있는 장점을 갖는다. 따라서 인공단백질이 제작되는 과정, 그리고 어떠한 상호작용을 통하여 질병의 진단과 치료에 긍정적으로 영향을 미치는지 이해하는 것은 향후 인공단백질을 이용한 다양한 치료법을 개발하고 새로운 인공단백질을 제작하는 데 있어 중요하다.

본 원고에서는 일반적인 인공단백질의 개발 예에 대해 제시한 후, 보다 구체적으로 인공단백질을 이용한 진단 및 치료법에 초점을 두어 개발 동향을 정리하여 기술한다.

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