nano [Biotechnology]

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나노 입자를 이용한 선택적인 유전자 전달

정보출처 http://www.eurekalert.org/pub_releases/2002-06/sri-sat062702.php

출판날짜 2002년 06월 27일

주제분야 생화학(F16)

미국 The Scripps Research Institute (TSRI)의 David Cheresh 박사를 비롯한 연구팀은 40-50 나노미터 크기의 입자에 DNA를 포함시킨 후 종양에서 혈관을 새롭게 형성하는 세포에 선택적으로 전달하는 방법을 개발했다. 그리고 그 연구 결과를 6월 28일자 Science에 보고하였다. 이 방법은 암을 비롯하여 신생혈관형성 (angiogenesis)이 일어나는 질병에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 종양이 성장하기 위해서는 주변의 혈관 벽 세포들이 증식하여 새로운 혈관을 형성하도록 해야 한다. 종양에 새롭게 형성된 혈관은 종양에 산소와 양분을 공급해 줄 뿐만 아니라 암세포가 다른 부위로 전이되도록 하는 데에도 기여한다. 신생혈관형성 과정을 억제하면 종양의 성장을 효과적으로 차단할 수 있기 때문에 많은 연구자들이 신생혈관형성 억제제를 개발하고 있다. Cheresh 박사의 연구팀은 먼저 αVβ3 인테그린 단백질의 저분자량 리간드를 포함하는 지질을 합성하여 이 지질과 양전하를 띤 지질을 포함하는 나노 리포솜 입자를 만들었다. 신생혈관형성에 참여하고 있는 세포는 표면에 αVβ3 인테그린 단백질을 많이 가지고 있기 때문에 이 입자는 정상혈관에는 결합하지 않고 새롭게 혈관을 형성하고 있는 세포에만 선택적으로 결합하게 된다. 또한 이 입자의 평균 크기는 40-50nm로서 조직에 잘 침투할 수 있게 되어 있다. 다음으로 그들은 정전기적인 인력을 이용하여 이 입자에 돌연변이 raf-1 유전자를 포함하는 DNA를 부착하였는데 이 돌연변이 raf-1 유전자는 정상적인 raf-1 유전자의 활성을 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그리고 raf-1 유전자는 신생혈관형성을 유도하는 모든 신호 전달 경로에 위치하고 있기 때문에 돌연변이 raf-1 유전자는 효과적으로 혈관 형성을 억제할 수 있다. 그들은 이렇게 만든 입자를 악성 종양을 지닌 생쥐에 투여함으로써 종양 제거 효과를 확인해 보았다. 그 결과 돌연변이 raf-1 유전자와 함께 αVβ3 인테그린 단백질의 리간드를 포함한 입자는 한 번에 400제곱 밀리미터 크기의 종양을 제거할 수 있는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 폐나 간에 전이된 종양도 거의 완전히 사라져 버렸다. 반면에 αVβ3 인테그린 단백질의 리간드가 없는 입자를 투여한 생쥐는 이틀 이내에 죽는 것으로 나타나 선택적인 전달의 중요성을 잘 보여주었다.

각종 분자를 바이러스에 부착시키는 나노 기술 개발

다양한 분자 물질을 바이러스 표면에 결합시켜 바이러스의 특성을 조작할 수 있는 새로운 기술이 미국 스크립스연구소(The Scripps Research Institute)와 스켁스 화학생물학 연구소(The Skaggs Institute for Chemical Biology)의 과학자들에 의해 개발됐다. 학술지 "응용화학(Angewandte Chemie)", 2월 1일자에 발표된 이번 연구 성과는 의학, 분자 전자공학, 재료 과학(material science) 등에 응용 가능성이 매우 높을 것으로 예상된다. 이번 연구는 바이러스의 표면에 약 60개에 이르는 분자 물질을 인위적으로 결합시킬 수 있다는 사실을 확인했다. 이 때 바이러스에 결합시키는 분자 물질을 목적에 맞게 선택할 수 있기 때문에 바이러스로부터 인위적으로 원하는 특성을 유도하는 것이 가능하다고 연구진은 밝혔다. 이번 연구 성과는 나노기술(nanotechnology)의 새로운 응용 사례로 기록될 전망이다. 이번 연구에서 대상으로 삼은 바이러스는 동부모자이크바이러스(cowpea mosaic virus)라는 식물 바이러스로 현미경 하에서 조개 껍질 모양을 나타낸다. 이 바이러스의 지름은 약 30 나노미터 정도이고 60개! 의 동일한 바이러스 단백질들이 모여 하나의 바이러스 입자를 형성한다. 이 같은 형성 원리 때문에 정 20면체 모양의 동부모자이크바이러스로부터 분자 물질이 결합할 수 있는 위치를 60개까지 확보하는 것이 가능하다. 이번 연구에 참여한 학자들 가운데 생물물리학자들은 무려 20년 이상의 기간동안 동부모자이크바이러스의 구조와 기능에 대한 연구를 계속해 왔다고 한다. 그리고 근래에 이르러 이들이 분자생물학자들과 협동 연구를 시작하면서 동부모자이크바이러스의 유전자 특성을 규명하게 되고 60개의 단백질들을 발현시키는 유전 정보를 얻기에 이른다. 이번 연구가 시도한 실험은 시스테인(cysteine)이라는 반응성이 높은 아미노산 잔기(amino acid residue)를 포함하는 펩티드(peptide)를 바이러스 표면에 부착시키는 것이었다. 실험 결과 펩티드를 바이러스에 결합시키더라도 바이러스에 구조적인 변화가 유도되지 않음을 확인할 수 있었다. 다른 모든 상태는 그대로 유지되면서 바이러스 표면에 반응성 시스테인이 첨가된 것이다. 일단 이 단계까지 마무리되면 바이러스 표면의 시스테인은 다른 분자들이 결합할 수 있? ?일종의 고리 기능을 나타내게 된다. 실제로 연구진은 바이러스에 결합시킨 시스테인 잔기에 형광성 염색 물질과 금 분자 덩어리를 결합시켜 바이러스의 화상을 손쉽게 얻을 수 있었다. 또한 비타민 B인 바이오틴(biotin)과 당(sugars), 기타 유기 화학 물질 등도 성공적으로 결합시킬 수 있었다고 한다. 이 같은 방식을 활용하면 분자량이 큰 단백질을 바이러스 표면에 결합시켜 안정된 상태를 유지시키는 것까지 가능하다는 설명이다. 또한 이번 연구는 바이러스 표면 뿐만 아니라 바이러스 내부 벽에도 시스테인 잔기를 결합시킬 수 있다는 증거도 확보했다. 이번에 개발된 기술을 활용해 바이러스 입자에 다양한 특성의 분자 물질을 원하는대로 결합시키게 되면 바이러스의 안정성(stability)을 비롯해 가용성(solubility), 크로마토그래피 특성(chromatographic Properties)을 인위적으로 조작하는 것이 가능해진다. 또한 바이러스 입자가 스스로 결합 특성을 갖도록 유도함으로써 좀 더 복잡한 망 구조의 결정체를 형성시킬 수도 있다. 이 같은 특성들은 나노기술의 다양한 측면에 걸쳐 응용 가능성이 매우 클 것으로 전망된다. 이번! 연구는 스켁스 화학생물학 연구소를 비롯해 미국 해군연구청(Office of Naval Research), 데이빗·루실 팩커드 학제간 과학 프로그램(David and Lucille Packard Interdisciplinary Science Program), 국립보건원(National Institutes of Health) 등으로부터 연구비 지원을 받았다.

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