성균관대 엄숭호 교수팀, mRNA 하이드로겔을 이용한 무세포단백질 발현

[에너지경제신문 송기우 에디터] 성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수(사진) 연구팀이 단기간 내에 저비용으로 원하는 기능성 단백질을 대량 생산할 수 있는 연구결과를 발표했다.

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.

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"며, "빠른 항체 치료제 개발을 통해 실제 임상 진입의 문턱을 낮추고 환자 맞춤형 치료 발전의 실현에 크게 이바지할 것"이라고 말했다.

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)

▲ RNA만으로 이루어진 하이드로 겔을 이용하여 적은 비용으로 빠르게 기능성 단백질 대량 생산 가능 (자료=성균관대)