화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀

핵산 나노공학 기업 프로지니어(주)와 공동연구로

“mRNA 하이드로겔을 이용한 무세포단백질 발현”

- RNA 스스로 정밀한 구조체 형성, 안정성 등 RNA 본질적 한계 극복

- 단기간에 저비용으로 원하는 기능성 단백질 대량 생산 가능

- 세계적 학술지 Advanced Materials (IF = 30.849) 연구 논문 게재

[사진] 엄숭호 교수, 안소연 연구원, 김정훈 연구원(왼쪽부터)

화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀이 단기간 내에 저비용으로 원하는 기능성 단백질을 대량 생산할 수 있는 연구결과를 발표했다.

본 연구는 mRNA 하이드로겔을 이용해 무세포 단백질을 발현시킨 것으로, 국내 바이오 벤처 기업인 주식회사 프로지니어와 공동연구로 진행되었다. 의료용 사이토카인(Cytokine), 개인 맞춤형 신약 등 다양한 바이오 의약 분야에 적극적으로 활용될 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 핵산 나노공학 기술 기반으로 환 전사 기법(Rolling circle transcription)과 핵산 사중 나선 구조를 규칙적으로 배열되게 디자인해 생리 화학적 기능을 갖춘 새로운 RNA 하이드로 겔 구조체를 만들었다. RNA는 생체 내에서 생리활성 조절과 발현에 매우 중추적인 역할을 담당하지만 불안정해 원하는 디자인 제작이 어려워 그 이용성이 매우 제한된다. 이처럼 심각한 본질적 한계가 지적되는 상황에서 이번 연구는 현명한 해결책을 제시하고 있다. 생체 모사를 통한 효소 촉매 작용, 단백질 합성 등 자연이 정의한 RNA의 생물학적 조절자 역할이 세포 외에서도 실제로 가능함을 입증하였다. 해당 기술로 생명의 중심원리, 센트럴 도그마(Central dogma)의 번역과정에서 ‘RNA가 시공간적으로 유도하는 밀집화(Spatiotemporal RNA-derived RNA phase transformation)’가 정확히 재현되었다. 이로써 겔 내부 구획화로 인한 폭발적인 단백질 생산이 가능하게 되었다.

1950년부터 ‘무세포 단백질 발현’ 기술로 세포 밖에서도 단백질을 만들 수 있게 되었다. 현대 바이오 의약품 시장의 발전과 함께 이는 세계적인 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 무세포 단백질 발현 기술의 치명적 단점인 효율성 부분을 극대화하는데도 크게 이바지하고 있다. 아울러, 최초로 RNA의 겔 형태가 가능해 다양한 기능을 갖춘 RNA가 상대적으로 높은 기계적 물성을 확보할 수 있게 되었다. 이는 유전정보를 탑재한 첨단 신소재의 개발 가능성도 시사한다. RNA의 근원적인 문제점을 해결하고 생명의 중심원리에도 기여하는 등 본 기술의 보편적 적용 가능성은 다양한 응용 기술의 탄생으로 발전되어 신분야를 개척할 것으로 기대를 모으고 있다. 이를 실현하기 위해 본 기술은 프로지니어(주)(대표이사 김철, 이영구)의 개인 맞춤형 항암백신 ProV-001과 기능성 단백질 합성 파이프라인에 직접 적용되고 있다.

[연구그림] 하이드로 겔을 이용한 단백질 대량생산

엄숭호 교수는 “본 연구는 인류가 세계 최초로 ‘RNA 공장’을 직접 디자인 제작한 것은 물론 무세포 단백질 발현 기술과 접목되어 첨단 자연 모사(Bio-inspiration) 기술의 정점을 확립한 것으로 높게 평가받을 수 있다. 현재 인류는 모든 단백질을 천연 세포에 의존해서 오랜 시간 걸려야만 효과적으로 생산할 수 있다고 믿고 있다. 이는 필수적으로 고가의 생산시스템을 요구하는데, 본 연구로 인해 저가로 단시간 내에 원하는 기능성 단백질을 인위적으로 대량 생산할 수 있게 되었다. 이번 논문으로 세계적인 연구자들로부터 본 기술의 혁신성과 산업적인 이용 가능성을 인정받았다”라면서 “빠른 항체 치료제 개발을 통해 실제 임상 진입의 문턱을 낮추고 환자 맞춤형 치료 발전의 실현에 크게 이바지할 것”이라고 말했다.

본 연구성과는 4월 5일 세계적 학술지인 Advanced Materials(IF=30.849)에 표지논문으로 온라인 게재되었다.

※ 논문명 : Protein-encoding Free-standing RNA Hydrogel for Sub-compartmentalized Translation