정연식(왼쪽부터) KAIST신소재공학과 교수, 송대현 박사과정, 장재범 교수, 송창우(우측 상단부터) 박사, 조승희 박사. 사진제공=KAIST바이러스부터 동물조직까지 인공적으로 복제하기 어려울 만큼 복잡한 생물학적 구조를 활용하는 ‘생체형틀법’을 국내 연구진이 개발했다. 기존의 방법은 주로 생체시료의 외부 표면 만을 활용하는 수준이었다. 이런 탓에 한정된 치수와 샘플을 얻는데 그쳐 다양한 생체 구조체의 상관성을 가지고 나노구조체를 제작하기는 어려웠다.
한국과학기술원(KAIST)은 10일 장재범·정연식 신소재공학과 교수 공동연구팀이 생체 시료 안의 특정 내부 단백질을 활용, 높은 조정성을 가진 생체형틀법을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 한정된 치수와 샘플에 그치는 문제점을 해소하기 위해 다양한 생체 내부 구조체를 활용하고, 높은 조정성을 가지는 생체형틀법 찾아내는 데 주력했다. 결국 다양한 단백질로 구성된 생체 시료 안에서 특정한 단백질 구조체로부터 선택적으로 다양한 특정 및 크기를 가진 나노구조체를 합성할 수 있는 ‘캠바이오’ 생체형틀법을 개발하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 캠바이오 방식에서는 여러 제조·생물 분야 기술을 병합해 생체 시료에서 제작할 수 있는 기능성 나노구조체의 높은 조정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
세포 골격 단백질인 마이크로튜블을 활용한 캠바이오. 자료=KAIST반복적으로 항체를 붙이는 기술, 세포를 일정한 모양으로 배열하는 기술, 무엇보다 조직을 얇게 자르는 기술을 통해, 캠바이오로 만든 기능성 나노구조체가 물질 감지에 사용되는 표면증강 라만산란(SERS) 기판에서 향상된 성능을 보였다. 표면증강 라만산란은 빛을 이용해 아주 적은 양의 물질도 감지할 수 있는 기술로, 금 또는 은 등 금속 표면에서 특정 물질이 빛과 반응하며 신호가 증폭되는 원리다. 연구팀은 또 세포 속 골격 단백질을 이용해 만든 나노입자 체인은 반복적으로 항체를 붙이는 과정을 통해 구조를 더 자유롭게 조정할 수 있었고, 최대 230% 향상된 SERS 성능을 보였다.
아울러 세포 내부의 구조체를 활용하는 것에서 확장해 고기 내부에 있는 근육 조직을 동결 절편기를 활용해 시료를 얻고, 이에 캠바이오 과정을 수행해 금속 입자들로 이뤄진 주기적인 밴드를 가지고 있는 기판 제작에도 성공했다. 이와 같은 방식으로 기판을 제작하는 것은 생체 시료를 활용해 대면적으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라 가격 경쟁력을 가지는 방식이다.
개발한 캠바이오는 생체시료의 활용 범위를 넓힘으로써 다양한 연구 분야가 직면한 문제를 해결할 수 있는 생체형틀법이 될 것으로 기대된다.
조직 수준에서의 캡바이오를 통한 조정성 확보 방안 도식화 자료=KAIST송대현 KAIST 신소재공학과 박사과정(제1저자)은 “캠바이오로 다양한 단백질 구조체를 활용할 수 있는 생체형틀법을 포괄적으로 적립했다”며 “향후 이 방법이 유전자 편집이나 3D 바이오프린팅 등 최신 생물기술, 새로운 물질 합성 기술 등과 결합한다면 다양한 응용 분야에 활용 범위를 더 늘려갈 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 과학난제도전융합연구개발사업, 과학기술정보통신부 선도연구센터, 과학기술정보통신부 선도연구센터, 과학기술정보통신부 국가생명연구자원 선진화 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 지난해 11월 13일 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science )’ 온라인판에 게재됐다.
