바이오 기술(BT)과 세라믹스

핵산/단백질 분리 정제용 세라믹 소재 연구개발 동향과 전망

장 정 호 이학박사 요업(세라믹)기술원 나노소재응용본부 선임연구원

1. 서론
단백질은 생체 내에서 실제로 기능을 유발하는 중요 구성 물질이며 대사 조절 물질이기 때문에 기초, 연구, 의학분야에서 가장 중요한 연구 재료이다. 2000년 인간 유전자 지도작성으로 post-genome 시대가 열린 이래로, 유전자의 기능을 해석하고자 하는 연구가 활발히 진행되어 오고 있다. 그 결과 생물학적 연구대상도 DNA, RNA와 같은 핵산 중심의 연구에서 단백질 연구로 점차 이동하고 있으며, 단백질체학(Proteomics) 이라는 새로운 학문 영역도 도래하였다.
인체 조직에는 약 10만 종류의 단백질이 존재하는 것으로 추정되고 있는데, 20종의 아미노산으로부터 생합성 되는 단백질 분자는 일차구조, 고차구조, 분자크기, 전하적 성질 등에 의하여 생체 내에서 다양한 기능으로 표현되어 생명체를 유지하고 있다. 기존의 방법으로 단백질의 기능을 연구하기 위해서는 다량의 시료로부터 많은 시간과 노동력을 통해 한 종류의 단백질을 대량화하여 정제하여 왔지만, 현재 이런 공정으로는 생체 내에서 일어나는 여러 가지 형태의 단백질 상호작용 등에 관한 연구를 충족시키기에는 적합하지 못하다. 가장 중요한 요인 중의 하나는 기존의 단백질 정제 소재의 특성상 많은 종류의 시료를 빠른 시간에 정제하기가 어렵기 때문이다. 이것은 특히 단백질체학의 가장 중요한 연구 테마의 하나인 단백질 칩(Protein chip) 제작에 있어서 가장 큰 단점으로 작용하게 된다. 또한, polymerase chain reaction(PCR)과 같이 일부 DNA 서열을 통한 시험관 내에서 대량 증폭할 수 있는 기술이 아직 개발되지 못해 필요한 모든 단백질은 조직과 같은 생체 시료에서 특정 관심이 있는 단백질을 분리 정제해야만 한다.
이와 같은 과정은 아직까지 단백질 분리 정제의 기초 단계가 되고 있는데, 차세대 단백질 분리/정제 소재는 정제 속도와 다양한 응용성이라는 측면을 가장 우선시해서 고려되어야 할 것이며, 기존의 소재보다 빠른 분리능력, 높은 특이성 및 대량 정제 및 자동화 시스템과의 연계 개발 가능성을 토대로 고부가가치의 신산업 창출에 크게 기여할 것이다.

2. 본론 
바이오 관련 연구 즉, 특이 단백질 관련 연구의 가장 중요한 단계인 분리 정제는 그 기반 소재 대부분이 수입 제품으로 보급되고 있으며, 현재 국내 기술의 경쟁력은 미약한 상태에 있다. 하지만 high throughout system(HTS)을 기반으로 하는 새로운 분리 정제 소재가 요구되기 때문에 기존의 담체형 소재가 아닌 새로운 소재의 개발에 큰 관심이 모아지고 있다. 차세대 단백질 분리정제 소재의 개발은 국내 단백질 소재에 대한 산업 경쟁력을 제고시켜 전량 수입에 의존하는 관련 제품군 및 관련 단백질 기초 소재에 대한 수입 대체 효과가 상당히 개선될 뿐만 아니라 바이오 분야 중 가장 경쟁력이 낮은 단백질 정제 관련 기초 바이오산업에 대한 기반이 될 것이다.
단백질 분석을 위해서는 대량의 정제된 DNA의 특정 부분을 증폭한 뒤 유리기판 위에 심고 여기에 탐색하고자 하는 RNA를 혼성화 함으로써 대량의 발현 프로파일을 얻는 DNA 칩(chip) 제작 과정과 유사한 공정이 필요하다. 즉, 유리기판 위에 다량의 분리 정제된 단백질을 고정화 하여 대량의 생체내 단백질의 상호 작용을 분석할 수 있도록 마이크로 어레이 시키는 기술이 필요하다. 이때 유리기판에 심는 단백질은 분리 정제된 단백질을 사용하게 되는데 그 수는 몇 개에서 수천 개까지의 단백질이 사용된다. 따라서 다양한 단백질과 분리 정제할 단백질이 수가 많이 필요하기 때문에 정제 시스템이 간단하며 빠른 속도로 단백질을 분리 정제할 수 있는 소재가 이 단백질 칩에 적용되는 필수 소재이다.
단백질의 분리정제는 크기, 정전기적 결합, 친화성 등의 특성에 따라 다양한 소재가 개발되어 왔으며 그 기본 소재는 연질 담체를 응용한 것이다. 연질 담체의 종류로는 크게 물리적 강도와 단백질의 비특이적 흡착성이 큰 폴리머 및 실리카 젤 계열과 담체의 강도와 단백질의 비특이적 흡착성이 낮은 아가로스, 덱스트란, 셀룰로스계의 다당류계열의 담체 및 이들 다당류계열과의 혼합 연질 계열의 담체들이 단백질 분리소재로서 이용되고 있다. 그러나 열거한 담체는 한 종류의 단백질을 대량으로 분리 정제하는 데에는 유용하지만 많은 종류의 단백질을 분리 정제하는 데에는 효과적인 방법이 아니다. 왜냐하면 현재 다양한 종류의 단백질의 기능 연구를 위해서 짧은 시간에 많은 종류의 정제된 단백질이 필요하기 때문이다.
이러한 분야에 적용 가능한 정제법은 재조합 DNA 기법을 이용한 저분자 tag를 셀룰로즈나 실리카 젤과 같은 담체에 결합하여 정제에 이용하는 것이다. 이러한 affinity tag를 이용한 단백질 분리정제 소재 시스템의 특징은, 1)정제의 단순화 2)단백질의 구조와 생물학적 활성에 미치는 영향의 최소화 3)다양한 단백질에서 적용될 수 있다는 것 등이다.
가장 많이 사용되는 small peptide tag로는 poly-Arg, FLAG, poly-His, c-myc, S, StrepⅡ 등이 있다. 그 밖에 용도에 따라 camodulin-binding peptide, cellulose-binding domain, DsbA, glutathion S-transferase, HAT-tag, maltose-binding protein, NusA, SBP-tag, Strep-tag, thioredoxin 등이 개발되어 왔다. 표 1은 현재 가장 보편적으로 사용되는 His-tag를 이용한 정제 담체 제품에 대한 특징을 요약한 것이다.
그림 1은 핵산/단백질 분리/정제 기술의 발전도를 나타낸 것으로서 초기 기술로서는 alkaline lysis를 이용하여 실험실에서 소규모로 분리/정제하는 방법이 사용되었고, 향후 실리카 막을 이용하여 보다 발전적인 분리정제 기술을 보여 주고 있다. 2000년 이후에는 자성입자를 이용한 기술로 개발동향이 전환되고 있으며, 아울러 하루에 분리할 수 있는 시간도 증가되는 것을 보여준다. 분리정제 기술의 핵심 소재별 발전 동향은 다음과 같다.       
현재 가장 많이 사용되고 있는 방법은 실리카 막을 이용한 단일 또는 다중컬럼 방법이다(그림 2(a)).
이것은 실리카 분말을 부직포를 이용하여 컬럼 안에서 멤브레인(막)화 시킨 것으로써 막성형 기술이 요구되며, 실리카 표면의 하이드록실 작용기와의 결합에 의한 분리를 이용하는 시스템이다. 이 방법은 진공 및 원심분리 장치가 수반되어야 하는 등 부가적인 공정이 필요하고 고순도로 분리가 안되며 분리/정제 시간도 매우 길다는 단점을 갖고 있다.  이외에도 실리카 막을 여러층 패킹한 다중컬럼 방법도 이용되고 있으나 역시 진공 및 원심분리 등의 부가적 장치가 수반되기 때문에 공정의 어려움이 있다. 이러한 단점들을 보완하기 위해 도입된 방법은 마그네틱 비드(magnetic bead)를 이용한 분리/정제법이다 (그림 2(b)). 마그네틱 비드 소재의 도입은 단백질을 담체에 고정화하고 원심력이나 중력을 통해 잔존물을 용출한 다음 적절한 완충용액을 통해 담체에 결합되어 있는 목적 단백질을 다시 원심력이나 중력을 이용하여 분리 정제하는 기존 시스템에서 분리정제 시간과 공정을 대폭 개선할 수 있다는 장점을 갖고 있어서 보다 효율적이며 초고속 분리정제를 가능하게 한다.
현재 이용되고 있는 마그네틱 비드 소재는 20-70 마이크론의 크기를 갖으며, polystyrene, agarose 등과 같은 코팅물질을 마그네틱 비드 위에 코팅한 소재이다. 기존 실리카 기반의 분리/정제 공정 보다는 단순하며 분리 시간이 길지 않다는 장점을 갖고 있지만 고효율 및 고순도 분리가 어렵다는 단점을 내포하고 있다. 2003년 이후부터는 나노기술에 기반한 분자자기조립 자성나노입자를 이용한 분리/정제 방법이 연구되고 있으며, 머지않은 시점에 상용화 될 것으로 전망된다(그림 2(c)). 이 방법은 마이크론 크기의 마그네틱 비드를 이용하던 방법에서 크기를 나노크기로 작게하여 반응 표면적을 증대시켰으며, 세라믹 코팅층의 두께를 조절함으로써 안정화 효과를 증진시켰고, 최종적으로 세라믹 코팅 자성나노입자의 표면에 기능성 분자를 자기조립 시킴으로써 대상 단백질과의 결합력을 증진시켜 고효율 및 초고속 분리가 가능하게 한 소재이다.  이 소재는 대상 단백질에 맞춤형으로 분자를 자기조립시키는 방법으로서 고효율 및 초고속 분리가 가능하게 하며, 차세대 소재로서의 기술개발을 위해서는 자성나노입자 크기의 표준화 및 균질화 등에 관한 연구가 단계적으로 요구된다.
이러한 응용기술의 개발은 앞으로 탄수화물 및 지방 등 기타 생체 고분자 분리 정제에도 그 활용성이 확대될 것이다.
그림 3은 실리카 코팅 자성나노입자 제조시에 실리카 코팅막의 두께 조절에 따른 자성나노입자의 자화력 변화와 질소 흡착 기공 및 표면적 측정기를 이용한 실리카 코팅 자성나노입자의 isotherm 변화를 나타낸 것으로서 실리카 코팅 농도별 일정량 만큼 변화되는 재현성을 나타낸다. 이것은 향후 분리정제 공정 뿐만 아니라, 자성나노입자를 이용한 표적지향성 약물전달시스템에서 외부 자기장의 세기를 제어할 수 있는 데이터로 활용될 수 있다. 

3. 전망
핵산/단백질 분리정제 소재 개발은 바이오 분야 및 무기재료 합성 분야의 융합기술을 통해서만 가능할 것으로 보인다. 이것은 바이오 분야의 단백질 정량 및 정성 그리고 재조합 단백질의 기능 특성에 대한 지원과 무기 재료 관련 분야의 소재적 특성에 대한 지원이 함께 공유되어야 한다는 것을 의미하는 것이다.
현재 과학기술은 학문간 벽이 구분이 안될 정도로 융합적 성격이 강하게 진행되고 있는 점을 상기하면, 파인세라믹 소재를 이용한 핵산/단백질 분리 정제 소재 기술 개발은 산·학·연으로 구성된 복합 다 학제간 네트워크로 추진되어야 할 것이다.
국내 단백질 분리정제 소재 관련 바이오 산업의 경쟁력은 선진국에 대비 약 60% 정도 수준에 위치해 있다. 또한, 산업은행의 조사에 의하면 국내 바이오 관련 산업의 선진국과의 기술격차는 분야에 따라 2~4년 정도인 것으로 나타났으며, 특히 원천기술 부족이 심각한 것으로 지적된 바 있다. 그러나 세계 바이오 관련 산업의 경쟁구두가 고착되지 않은 상태에서 이러한 기술격차 해소는 노력 여하에 따라 충분히 가능할 것으로 판단된다. 이와 관련하여 최근 일부 국내 기업들의 벤처 마인드로서 단백질 분리정제 관련 분야에 대한 참여는 고무적인 현상을 보이며 향후 지속적으로 늘어날 전망이다.
차세대 단백질 분리 정제 소재의 개발도 바이오산업과 파인 세라믹 산업의 조화로운 융합적 관계가 반드시 필요할 것으로 사료된다.  

표 1. His-Tag용 단백질 분리 정제 소재를 이용한 킷트(월간세라믹스 2003년 3월호 70페이지 참조)
 그림 1. 핵산/단백질 분리 정제 기술의 발전도

그림 2. 핵산/단백질 분리 소재. (a) 실리카 막, (b) 세라믹(아가로스) 코팅 마그네틱
        비드, (c) 기능성 분자가 자기조립된 실리카 코팅 자성나노입자

그림 3. 실리카 코팅 자성나노입자의 코팅 두께별 자화력 변화 및 isotherm 변화

필자약력
·충북대학교 자연과학대학 화학과 (박사)
·미국 Pacific Northwest National Lab.(visiting)
·요업기술원 나노소재응용본부
  나노바이오 융합팀 선임연구원