바이오인

출처: biozine

박성구 / 한국생명공학연구원
(sgpark@mail.kribb.re.kr)

1. 프로테오믹스(Proteomics) 개념

현재의 생물학 연구는 유전체 염기서열 결정과 그에 따르는 DNA chip을 이용한 기초, 응용연구로 요약 될 수 있다. 인간 유전체에 대한 염기결정이 이루어지고 수많은 미생물, 하등 동물, 식물의 유전체 정보가 하루가 다르게 늘어 가고 있는 실정이다. 이런 와중에 차세대의 연구의 화두로 떠오르는 것은 프로테오믹스로, 앞 으로의 연구가 선진국에서 활발히 논의되고 그에 따르는 제반 연구 장비의 개발이 급진전되고 있으며, 연구 성과가 나날이 늘어 가고 있는 실정이다. 우리가 매일 접하고 있는 게놈(유전체)은 유전자 염기서열의 집합체이며, 이는 생명체를 이루는 기본 설계도이지만 생 명체에서 실제로 일어나고 있는 제 현상들은 유전체로부터 유래한 단백질의 기능과 상호 작용을 통해서 이루어 지게 된다.

프로테옴(Proteome)이란 유전체로부터 만들어 질 수 있는 모든 단백질의 총체로 서 단세포 생물인 경우 각각의 세포가 같은 양상의 프로테옴을 가지나, 다세포 생물인 경우 각각의 세포가 같은 유전 체를 가지지만 프로테옴의 양상은 다를 것이며, 같은 세포라도 주위 환경이 달라지면 다른 양상을 보이므로, 프로테옴이 유래하는 유 전체는 일정하지만 특정 세포나 특정 조건하에서 프로테옴의 양상은 항상 변하는 동적인 개념이다. 따라서 프로테오믹스란 유전자 (체)의 산물인 단백질들을 총체적으로 확인하고 이들 단백질들의 발현정도, 변형과 세포내 위치, 이들 단백질들간의 상호작용등을 포괄적 으로 규명하는 연구를 일컬으며, 이 연구에 의해 세포내에서 발현되는 총체적인 단백질의 규명과, 이들 단백질들간의 network를 규 명하게 됨으로써 유전체에서 부터, 실제 생명 현상을 이루는 단백질들로 생명현상을 총체적으로 이해하게 된다. 따라서 정적인 유전자 서열에 동적인 생체기능을 부여하는 것이 바로 프로테오믹스이다. 간단히 말하여 유전자 서열의 암호화된 정보의 구현체인 총 체적 단백질들의 network를 해독하여 생명현상을 이해하는 연구분야라 할 수 있다.

2. 연구 방법

현재 이루어지고 있는 프로테오믹스 연구는 크게 두 가지 기술로 집약 될 수 있 다. 먼저 한 세포에서 얻어진 총 단백질군을 서로 분리하여 개개의 단백질로 분리하는 기술과 분리된 단백질들을 분석할 수 있는 기술인데, 첫 번째 기술은 현 단계에서 Isoelectricing(IEF)을 이용한 2D Gel이 개발 되 있으며 상용화된 기기들이 속 속 출현하여 종래의 2D Gel의 문제점인 재현성을 크게 향상 시켰고, 2D Gel에서 개개의 단백질들을 염색하고, 잘라내고 단백질 분해효소로 자르고 하는 단계들이 자동화 기기와 컴퓨터를 이용해 많은 시료를 손쉽고 간단히 처리 할 수 있지 만, 처음 단계인 2D Gel 수행의 자동화가 아직도 이루어지지 않고 있다. 각각의 분리된 단백질의 분석을 위해 질량 분석기 가 쓰이고 있으며 시대의 요구에 부응하여 고성능의 질량 분석기가 속속 개발되어, 미량의 단백질을 간편히 분석하고 아미노산 서열 의 분석도 가능하게 하고 있다. 단백질을 질량분석기로 분석해 얻은 결과는 기존의 Database를 이용해 Web상에서 분석이 가능하며 대용량의 연구를 위해서는 독자적인 Database의 확보가 필요하다. 한 세포내에서의 프로테옴 분석의 일례로 2000년에 스위스 호프만 라 로슈 연구소에서 1742개의 단백질로 이루어진 Haemoplius influenzae의 프로테옴 분석에 관한 (Electrophoresis (2000) 21,411-429) 연구 논문을 보면 1100개의 단백질이 통상의 2D Gel에서 보이고, 여러 가지 방법을 이용해 발현량이 적은 단백질을 모아 2D gel과 MALDI-TOF를 이용해 2D 지도를 작성하였다. 앞으로의 발전 방향은 총 단백질의 효과적 분리를 위한 여러 가지 방법의 개발과 발현량이 적은 단백질의 검출방법의 개 발이 될 것이며, 분리된 단백질의 분석은 질량분석기가 가장 유용한 도구로서 쓰일 것이다.

3. 필요성

우리가 기존에 수행해온 생물학은 Watson과 Crick의 DNA 발견 이전의 고전적인 관찰과 서술위주의 연구에서 분자 수준의 연구가 가능해진 현재의 생물학으로 변모되었고, 기기의 발달과 정보산업의 발달로 총체적인 생명현상을 이해하는 첫걸음으로 유전체 정보분석이 가능하게 되었다. 이제 다음 단계인 프로테옴 연구로 다양 한 단백질의 기능을 한세포 내에서 총체적으로 알아야만 생명현상을 이해할 수 있다. 간단한 예로 Southern blotting으로 유전자를 확 인하고 Northern Blotting으로 RNA의 발현을 확인해도 최종 산물인 단백질을 Western Blotting으로 확인하는 것이 최종 목적지이며, 여기서부터 출발하여 단백질의 기능 연구, 상호 작용 연구를 통해 개개의 단백질의 기능을 이해 할 수 있다. 따라서 유전체 연구성과와 정보산업, 분석기기의 발달로 이제는 개개의 단백질 연구가 아닌 한 세포내의 프로테옴 연구가 유 전체 연구 시대를 이어 새로 부상하는 연구분야가 될 것이다.

생명현상을 조절하거나 이용하고자 하는 생물산업 (신의약 신농약 개발)은 프로 테옴 연구결과에 따라 경이로운 발전이 예상된다. 예를 들면 신약개발의 일차적인 소재가 되는 질병을 조절하는 중요 단 백질들이 밝혀지게 되면 획기적인 약품의 탄생은 자명한 일이다. 따라서 새로운 중요 표적 단백질을 찾는 것이 차세대 생명산업의 일 차 목표라 할 수 있으며 이를 추진하기 위한 방법으로 프로테오믹스가 주목을 받을 수밖에 없다.

4. 국내 프로테옴연구의 중요성

기존의 알려진 표적 단백질 및 스크리닝법을 이용한 신약개발 작업은 ME-TOO chemistry의 한계를 벗어나지 못할 뿐 아니라, 외국의 거대 제약회사의 대량 물량공세를 이겨내기 어렵다. 따라 서 우리 고유의 표적 단백질을 확보하는 것이 급선무라는 명제가 산 학 연의 공감대를 형성해 나가고 있으며 이를 해결할 유일한 돌파구는 프로테옴 연구이다.

게놈(유전체), 즉 유전자서열은 공개될 것이다. 그러나 프로테옴 중 신의약 신농 약 개발의 표적이 되는 중요 기능성 단백질은 미공개 내지는 특허로 보호될 것이 분명하다. 게다가 서양인을 대상으 로 이루어지는 연구 결과는 우리에게 그대로 적용하는데 어려움이 따르므로 한국인에 대한 연구가 이루어 져야하며, 한국인에게 중요한 질병에 대한 프로테오믹스연구는 우리가 할 수밖에 없어서 독자적인 연구가 이루어 져야 한다.

올해 1월4일자 nature지에 실린 기사를 보면 미국 메릴랜드주 Rockville에 있 는 'Large Scale Proteomics'사에서 심장마비로 사망한 여자로부터 157개의 조직을 떼어내어 공장 규모의 분 석작업을 수행하여 각 조직의 단백질 profile을 제작하여 11만5천 개의 단백질로 된 human proteome index를 완성하 여 상용화한다고 공표 하였다. 결국 유전체 연구와 달리 직접적인 의약산업의 소재가 되는 프로테오믹스 연구 결과 는 상업적으로 어마어마한 가치가 있음을 확인할 수 있는 발표이다.

우리가 잘 아는 한국인 2세로 세계적인 프로테옴 연구자인 Peter Kim (현 MIT교 수)이 공룡 제약사인 Merck사 연구소장으로 이직할 것이라는 보도는 다시 한번 프로테옴 연구가 차세대 생물산업에 얼마나 중요한 위치를 하는가를 입증하는 좋은 예다.

농약으로 세계를 제패한 Monsanto사는 일찍이 게놈 및 프로테옴 분야에 막대한 투자를 하여 신농약의 후보물질들을 확보하고 있다.

신약개발의 핵심기술중 chemical & natural library와 high through-put screening기술은 이미 국제간의 격차가 없는 실정이며. 차세대의 기술격차는 중요한 표적 단백질 을 얼마나 확보하는가가 관건이며 이를 추진하기 위한 수단으로 프로테오믹스 연구에 막대한 투자를 하고 있으며 유전체 정보와는 달 리 이들 연구 결과는 일반에 공개 되기 보다는 지적 재산권으로 보호 될 것이다.

5. 추진방안

신약개발을 최종 목표로 하여, 국제 경쟁력을 확보하기 위하여는 선택과 집중이 필요하다. 그 이유는 우리나라 총 생명산업 R&D예산 규모가 미국의 일개 제약사의 그것에 비해 훨씬 뒤쳐지기 때문 이다. 따라서 범국가적으로 집중화된 연구주체가 필요하다.

이윤추구를 목표로 하는 산업체나 다양성을 목표로 하는 대학의 주도 하에는 선 택과 집중이라는 목표를 수행하기에 어려움이 있으므로, 정부 출연연구소가 공공성을 앞세워 전문적인 기획, 조정, 평가의 업무를 수행하여야 한다.

5-1. 산학연공동 연구체제

프로테옴 연구에는 유전자, 단백질, 세포, 개체 수준의 단계적이며 또한 총체적 인 연구가 필요하며 IT와 BT의 접목을 통한 bioinformatics와 단백질 칩 기술 등이 요구되는 multi disciplinary research이다. 따라서 관련연구자들을 조화롭게 조율하는 것이 중요하며, 집중화된 연구 주도집단이 필요하다. 따 라서 정부출연기관이 중심이 되어, 모험성 있고 탄력성 있는 BT 벤쳐사업군과 공통 기반기술을 갖춘 출연연이 조화롭게 개발의 선두 에 서서 향후 대기업의 산업화를 유도할 수 있는 집중화된 거대 연구 프로그램을 구축하고, 대학에서는 다양성 있는 연구분야의 개 척 및 연구인력양성을 목표로 한다면 집중과 선택이라는 목표를 산학연이 조화롭게 이루어 나갈 수 있다.

5-2. 프로테오믹스연구소(센터)

프로테오믹스를 이용한 연구특성상 연구 효율 및 표준화 제고를 위해 공간적으 로 집약화된 인적 물적 자원이 가지고 있는 인프라조직이 구축되어야 하며, 한국생명공학연구원 산하 프로테옴연구소 (센터)의 설립이 불가피하다. 역할은 범국가적 사업 기획, 조정, 평가는 물론, 고가의 핵심 시설 및 기자재 운영, 중점기술의 개 발 및 표준화, 훈련 및 보급, 연구 결과물의 범국가적 공용 database 구축, 산업화 촉진을 위한 제도 운용 등이다.