바이오인

핵심내용

실크 단백질로 광학 인공생체조직 최초 개발

□ 이 연구 성과는 미래창조과학부·한국연구재단 X- 프로젝트지원사업, 교육부 이공학개인기초연구지원사업의 지원으로 수행되었다. 종합과학기술분야 국제학술지인 미국국립과학원 회보(PNAS) 6월 13일자 논문으로 게재되었다.

□ 인체친화적이고 유연한 안구용 나노광학소자가 최초로 개발되었다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 김성환 교수(아주대) 연구팀이“누에고치에서 추출한 천연 실크 단백질을 활용하여 생체 조직과 유사한 물성을 가진 무해하고 안구에 안정적으로 삽입할 수 있는 3차원 광자결정* 소자를 최초로 개발하였다.”고 밝혔다.  
     * 광자결정 : 빛을 컨트롤하기 위해 굴절률이 서로 다른 물질들이 주기적으로 배열되어 있는 구조

□ 최근 인체 조직에 부착하거나 삽입 가능한 광학 소자 및 전자 소자 연구가 각광을 받고 있다. 특히 누에고치 단백질은 생체친화적이고 물리적/화학적 물성*이 우수하기 때문에 최근 주목 받는 바이오 고분자 소재이다. 그러나 이 천연 단백질을 활용하여 인체조직에서 작동하는 소자를 구현하는 것은 어려웠다.
    * 물리적/화학적 물성 : 실크 단백질은 광학적으로 투명하면서 역학적으로 견고하여 나노 사이즈의 광학 구조를 형성하기에 적합하며, 화학적으로도 안정한 물질이다.

□ 연구팀은 스틸벤 염료*를 실크 피브로인* 단백질 수용액에 혼합한 뒤 자외선 광중합 반응*을 통해 유연한 실크 단백질 기반의 3차원 광자결정을 만들었다. 이 광자결정 구조는 생체 조직과 이질감 없이 결합할 수 있다. 왜냐하면 습윤한 환경에서 물에 녹지 않으면서 수분을 머금고 있어(수화젤화*) 구부려도 원래 모양대로 되돌아오며(탄성*). 유연하면서 물에 녹지 않는 특성 때문이다.
     * 스틸벤 염료 : 오래 전부터 알려진 방향족 화합물 중 하나. 황색계의 염료로 활용된다.
     * 실크 피브로인 : 누에고치를  구성하는 실크 단백질 중 하나. 우리가 일반적으로 실크 섬유라고 하면 이 실크 피브로인 단백질로 구성된 섬유를 의미한다. 
     * 광중합 반응 : 빛을 쪼여서 분자 사이에 강력한 공유 결합을 형성시키는 중합 반응 
     * 수화젤 : 수용성 고분자가 물리적, 화학적 결합을 통해 가교를 형성하고 있는 구조로서, 물에 용해되지 않고 구조 내에 수분을 함유할 수 있는 물질.
     * 탄성 : 힘을 가하여 물체의 변형을 일으켰을 때 원상 복구되려는 물성. 피부 등 생체 조직들이 탄성을 가진 단백질 구조체이다. 

□  연구팀은 또한 실크 유연 광소자가 안압을 무선으로 감지하는 압력 센서로 활용될 수 있음을 입증했다. 외부의 힘에 의해 변화하는 소자의 광밴드갭*을 간단한 광학 장비로 원격 측정해서 파동 변화를 실시간으로 탐지할 수 있음을 보였다.  
     * 광밴드갭: 광자결정 구조 내부에서 빛이 진행 및 통과할 수 없는 파장 대역  

□ 이 광학소재는 시력 향상용 안구 삽입체로도 사용할 수 있다. 연구팀은 실크 광자결정 유연 소자가 야행성 동물의 망막 뒤 반사체*와 같이 안구 외부로 빠져 나가는 빛을 내부로 재 반사시킬 수 있음을 확인하였다. 이는 망막을 투과했던 빛이 다시 시각 세포로 돌아와 시력 향상에 기여할 수 있게 됨을 의미한다고 연구팀은 설명했다.
     * 망막 뒤 반사체 (tapetum lucidum) : 고양이 같은 야행성 동물 혹은 심해 동물 등의 망막 뒤에 존재하는 생체 구조로 망막을 투과해서 지나간 빛을 다시 안구 내부로 반사시킴으로써 빛에 대한 감도 혹은 시력을 향상 시키는데 기여

□ 김성환 교수는 “이 연구는 생체 조직과 결합할 수 있는 나노광학 소자를 최초로 개발한 것이다. 그동안 학계의 난제였던 피부 등 인체 조직과 같은 물성을 지닌 물리소자를 구현했다. 안압의 무선 광신호 측정, 시력 향상용 안구 삽입체 등 다양한 헬스케어 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
     * 안압: 안구 내부의 유체 압력을 의미하며, 녹내장의 위험을 평가하는 중요 요소.  

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Deformable and conformal silk hydrogel inverse opal
   - 저자 정보 : 김성환 교수 (교신저자, 아주대학교), 민경택 (공동 제1저자, 아주대학교), 김숙영 (공동 제1저자, 아주대학교)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
   ○ 최근 광학/전자 소자를 기반으로 하는 헬스케어 디바이스의 구현은 시대의 패러다임으로 자리 잡고 있다. 생체 정보를 실시간으로 활용 및 조절함은 향후 IT 기술과 결합하여 큰 부가가치를 창출할 수 있기 때문이다. 관련 소자 제작 기술은 바이오 및 나노 기술과의 조합을 통해 빠른 속도로 발전하고 있으며, 특히 생체 내에서 직접 구동이 가능한 소자 연구가 많은 각광을 받고 있다.

   ○ 인체에 무해한 바이오 고분자인 단백질이나 DNA 등이 체내에 삽입 가능한 소자의 구성 소재로 각광 받고 있다. 그러나 이를 체내 삽입형 광학/전자 소자에 적용하기 위해서는 제작된 소자가 생체 조직과 유사한 물성-수분을 머금고 유연한-을 지녀야 한다.

 2. 연구내용
   ○ 연구팀은 발광 염료와 천연 실크 단백질의 광중합 반응*을 통해 인체 삽입용 소자에 적합한 소재를 개발하는데 성공하였다. 개발된 실크 소재로 제작한 3차원 광자결정 소자는 물에 넣었을 때, 나노 구조가 손상되지 않고 수화젤화되어 유연해진다. 지금까지 다양한 소재를 사용한 3차원 광자결정이 많은 연구팀에서 개발되어 왔지만, 생체친화성, 유연성, 불용성을 동시에 갖춘 바이오 고분자 기반 광자결정이 이 연구를 통하여 최초로 구현되었다.
       * 광중합 반응 : 빛을 쪼여서 분자 사이에 강력한 공유 결합을 형성시키는 중합 반응

   ○ 연구팀이 개발한 3차원 광자결정 소자는 유연하면서도 높은 탄성을 가지고 있으며, 변형률 10% 이내에서 탄성 변형을 유지한다. 외부의 힘(늘어남, 구부림, 눌림)에 의해 변화하는 소자의 광밴드갭을 간단한 광학 장비로 원격 측정하여 외부의 힘을 실시간으로 탐지할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

   ○ 연구팀은 야행성 동물의 망막 뒤 반사체(tapetum lucidum)의 원리를 생체 모방하여, 안구 모델의 표면에 실크 광자결정 소자를 집적한 모의실험을 수행하였다. 안구 외부로 빠져나가는 빛이 실크 광자결정에 의해 내부로 재반사되는 것을 확인하였으며, 망막의 시각 세포에 의한 빛의 흡수가 30% 이상 증가할 것을 실험을 통해 예측하였다. 이것은 실크 광자결정이 시력 향상용 안구 삽입체로서 기능할 수 있음을 의미한다.

3. 연구 성과
   ○ 이번 연구를 통해 인체 내 소자 삽입을 위한 전제 조건인 생체친화성, 유연성, 불용성이 모두 갖추어진 천연 실크 단백질 소재를 제시하였다.

   ○ 제시된 실크 소재를 활용하여 3차원 광자결정 소자를 성공적으로 제작하였고, 추가적인 모의실험을 통해 안압 센서 및 시력 향상용 안구 삽입체로서의 가능성을 실험적으로 구현하였다.

   ○ 이번 성과는 향후 체내 삽입형 소자를 이용한 헬스케어 플랫폼 구현에 크게 기여할 것이며, 누에 실크와 같은 1차 산업의 산물이 4차 산업의 소재로 활용되는 가능성을 열어 새로운 부가 가치가 창출될 것이라 기대된다.

상세내용

연구결과 개요

 1. 연구배경
  ㅇ 최근 인체 조직에 부착하거나 집적 삽입 가능한 바이오 소자의 개발이 많은 관심을 받고 있다. 특히 전기나 광신호에 기반한 소자를 체내에 삽입하기 위해서는 생체 적합성과 생분해성이 뛰어난 바이오 고분자 물질을 소재로 활용하는 것이 바람직하다. 무엇보다도, 심한 역학적 변형과 수분이 존재하는 인체 내에서도 소자가 안정적으로 구동되기 위해서는 습한 환경에서도 소자 구조의 안정성, 유연성, 그리고 변형성이 전제가 되어야 한다. 연구팀은 누에에서 추출 가능한 대표적 바이오 고분자인 실크 단백질을 기본 소재로 활용하여 위의 전제 조건을 동시에 만족하는 나노 광학 소자를 제작하였으며, 안압 센서나 안구 삽입체로서 그 가능성을 모색하였다.

 2. 연구내용
  ㅇ 광자결정은 서로 다른 굴절률을 가진 물질이 주기적으로 배열된 구조이다. 특정 파장을 가진 빛의 진행을 차단하는 고유 광밴드갭 특성을 가진다. 이러한 특성을 활용하여 빛의 진행, 반사, 투과를 인위적으로 조절하는 것이 가능하다. 또한 외부의 자극을 통해 광자결정의 격자 상수와 그에 비례하는 광밴드갭 파장을 제어할 수 있다면, 복잡한 전자 검출 장비가 별도로 필요하지 않은 광학 센서 디바이스 구현이 가능하다. 연구팀은 최근 나노-바이오 분야에서 각광받는 바이오 고분자인 누에 실크 단백질을 소재로, 습한 환경에서 안정적으로 구동하고 유연하면서도 역학적 변형이 가능한 3차원 광자결정을 구현하였다.

  ㅇ 실크 단백질은 기본적으로 물에 쉽게 녹기 때문에 습윤한 환경에서 동작하는 소자를 구현하기 어렵다는 약점이 있다. 연구팀은 이 약점을 우선적으로 극복하기 위하여, 생체적합성이 뛰어난 스틸벤 염료를 광개시제로서 실크 피브로인 단백질 수용액에 혼합한 뒤 자외선 광중합 반응을 통해 실크 단백질 물성의 개질을 도모하였다. 광중합 반응을 통해 생성된 실크 단백질을 소재로 제작한 3차원 광자결정은 습윤한 환경에서 수화젤화*되어 유연하고, 탄성이 있으면서도 물에 녹지 않는 성질을 가지게 된다. 
      * 수화젤화 : 수용성 고분자가 물리적, 화학적 결합을 통해 가교를 형성하고 있는 구조로서, 물에 용해되지     않고 구조 내에 수분을 함유할 수 있는 물질.

  ㅇ 유연한 실크 단백질 기반 3차원 광자결정은 외부의 역학적 변형에 따라 광밴드갭* 파장이 변화하며, 간단한 광학 측정 장비를 사용하여 광밴드갭 파장에 해당하는 광신호를 감지할 수 있다. 생체 내에서의 대표적인 응용 방법으로서, 안구에 부착한 실크 단백질 광자결정을 이용하여 녹내장과 같은 안구 질병의 진단 기준이 되는 안압 측정이 가능할 수 있다는 것을 보였다. 또한 실크 단백질 광자결정이 고양이와 같은 야행성 동물의 시력을 보조해주는 망막 뒤 반사체와 같은 역할을 할 수 있음을 간단한 실험 모델로 증명하였다.
         * 광밴드캡 : 광자결정 구조 내부에서 빛이 진행 및 통과할 수 없는 파장 대역

  ㅇ 결론적으로 실크 단백질을 소재로 습윤한 환경에서 안정적으로 작동하는 유연한 광학 소자를 제작하였으며, 이를 이용한 체내 응용 방법을 제시하였다. 실크 단백질은 농장에서 저렴하게 얻을 수 있기에 가격 경쟁력 측면에서도 큰 장점을 지닌다.

3. 기대효과
  ㅇ 실크 단백질 기반 3차원 광자결정은 체내 삽입한 소자를 구현하기 위한 가장 큰 어려움 중의 하나인 습윤한 환경에서의 안정적인 구동을 보장한다. 이 연구를 통해서 제안된 광중합을 통한 실크 수화젤 제조는 광학 소자뿐만 아니라 다양한 전자 소자에도 응용될 수 있다.  이는 근 미래에 차세대 헬스케어 플랫폼 구현을 위한 더 큰 성과로 이어질 것이다. 부가적으로 누에 실크와 같은 농업, 임업 등의 산물의 새로운 가치 발견을 통해 새로운 산업 창출의 길이 열리길 기대한다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

차세대 산업으로 각광받는 헬스케어 관련 연구는 생체 내부에서 신호를 직접 읽거나 조절하려는 방향으로 가고 있음은 주지의 사실이다. 그러나 습윤하고 변형이 심한 인체 조직에서 기존 헬스케어용 물리소자를 안정적으로 구동하기는 불가능에 가까웠다. 본 연구팀은 발상의 전환을 통해 우리 몸을 구성하는 주성분 중 하나인 단백질 자체로 인체조직과 유사한 물성을 지닌 나노광학 소자를 구현하고자 하였다. 광학소자이기에 광학적으로 투명하게 구현 가능한 실크 단백질에 초점을 맞추었으나, 여기에 생체 조직과 같이 수분을 머금어 유연성을 나타내고 더불어 나노 구조를 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 기술 개발이 요구되었다. 연구팀은 염료를 활용한 광중합 반응을 통해 이들을 해결할 수 있었고, 안구-빛과 연관성이 높은 인체 조직-에 도입하면 시력향상 등의 기능성 소자로 활용이 가능함을 검증하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구는 실크의 물성 개질, 실크 광자결정의 광특성 파악, 소자 응용의 3단계로 순차적으로 전개되었다. 그 첫 단계로, 수분을 머금어 유연해지는 투명 단백질 필름을 광중합 반응을 통해 구현하고자 하였다. 광개시제의 농도와 빛의 조사 시간에 따라, 실크 단백질의 탄성과 유연성이 달라지므로 이를 최적화하였다. 적절한 탄성을 가진 실크 광자결정 소자를 형성한 이후로는, 제작된 소자의 투과율, 반사율과 같은 광학적 특성과 탄성계수, 탄성 구간과 같은 역학적 특성을 파악하였다. 최종적으로, 조사된 실크 유연소자의 특성이 안압 센서나 시력 향상용 안구삽입체로 응용하기에 적합하다고 판단되어 추가적인 모의 실험을 수행하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

체내에 삽입이 가능한 소자의 조건인 유연성, 생체 친화성, 불용성, 제작된 나노 구조의 안정성을 동시에 확보하는 것이 가장 어려운 일이었다. 우리 연구팀은 유연한 광자결정 실크 소자를 만들기 위해서 기존에 알려져 있던 다양한 실크 수화젤 형성 방법을 우선적으로 응용해보았다. 그러나 기존에 알려진 방법으로는 구조가 매우 불안정하여 광자결정의 특징인 구조색과 광밴드갭이 나타나지 않았다. 이를 극복하기 위하여 다양한 문헌을 조사하던 중, 광중합 반응을 통해 경화된 단백질이 강한 공유 결합에 의해 형성된 매우 안정한 분자 구조를 가진다는 힌트를 얻게 되었고, 실험 조건을 최적화하기 위한 수회의 시행착오를 더 경험한 뒤 현재의 연구 결과를 얻게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

생체 조직 환경에서 안정적으로 구동하면서도 생체에 유해하지 않은 나노광학소자를 최초로 구현하였다. 전체 소자의 구성 요소가 인체에 무해하므로, 향후 안구와 같은 인체 내에 집적하여 실시간 센서 및 반사체 역할을 수행할 수 있으리라 기대한다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

실크 광자결정 유연 소자에 대한 심화연구를 진행하여 실제 살아있는 생물의 안구에 구조를 삽입하고 광신호를 실시간으로 측정함으로써, 안압 진단 및 시력 향상에 기여할 수 있음을 증명하고 싶다. 나아가 본 연구에서 제안된 유연 실크 단백질을 전기 소자의 플랫폼에도 활용하여 응용 분야를 더욱 넓게 확장하고자 한다.

...................(계속)

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