젊은 생물공학 연구자들은 어떤 아이템의 연구를 진행하고 있을까. 지난 12일부터 14일까지 열린 2023 한국생물공학회 춘계학술발표대회 및 국제심포지엄에서는 신진연구자들이 연구하고 있는 과제에 대해 발표하는 자리가 마련됐다.
김혜민 건국대 교수는 히알루론산, 인공세포 소기관 등의 고분자 약물전달에 대해 소개했다. 천연고분자와 합성고분자를 비롯한 다양한 고분자 소재는 다양한 바이오분야에 응용돼 왔다.
김 교수는 “히알루론산을 이용한 나노의약 연구에서는 피부 조직 및 점막에서 효과적인 전달 특성을 가지는 히알루론산 고유의 성질을 이용해 이를 항원 전달을 통한 면역 치료, 피부질환 치료 등에 적용하는 연구를 수행했다”라며 “히알루론산-단백질 접합체 및 히알루론산-펩타이드 접합체를 피부에 도포하는 경우 단백질 유효성분이 진피조직까지 전달됨을 입증했고 마이크로니들을 이용해 이러한 효과를 극대화할 수 있음을 보였다”고 밝혔다. 또 이러한 특성을 바탕으로 항원 경피전달을 통한 항체 형성 및 백신 개발, 상피재생인자를 이용한 창상치료용 패치 개발 연구를 수행했다고 전했다.
인공 세포 소기관(artificial organelle) 연구와 관련해서는 “인공 세포 소기관은 세포 내에서 생체 촉매 반응을 통해 세포 기능을 조절하는 미세 공간으로 세포 내에 장기간 머무르며 세포 내 소기관을 모방하는 형태로 연구돼 왔다”라며 “저는 고분자 중합에 의한 자기조립을 이용해 생물발광 효소가 담지된 폴리머좀을 합성하고 이를 광유전학 이온 채널이 도입된 유도만능 줄기세포 유래 심근세포에 전달해 심근세포의 박동을 조절하는 연구를 수행했다”라고 밝혔다.
특히 연구에서 “폴리머좀은 세포 내에서 안정적으로 기능해 7일 후에도 세포 박동 조절 기능을 유지했으며, 세포 내 자극을 통해 세포의 기계적 운동을 조절해 소프트 로봇 분야에서의 가능성을 함께 보여주었다”라며 “이러한 인공 세포 소기관 기술은 생체 촉매 반응과 유전공학 기술의 접목을 가능하게 하는 하이브리드 기술로 세포 기능을 조절을 필요로 하는 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다”고 강조했다.
한상길 인천대 교수는 'Wearable and Implantable Bioelectronics'(웨어러블/생체 삽입용 바이오전자소자)을 주제로 한 발표에서 화학적 바이오마커 감지를 위해 최근 각광받고 있는 고성능 바이오센싱 기술인 유기전기화학트랜지스터(OECT)와 이 기술을 이용한 대표적인 바이오센서(i.e. ion sensor, metabolite sensor)를 소개하고, 이 센서들의 다양한 응용분야(e.g. wearable biomedical devices, neuroscience application, Plantronics)에 대해 설명했다.
그는 현재의 헬스케어 시스템은 질병이 발현했을 때 병원을 방문하는 사후 대응적(i.e. reactive healthcare) 방식으로 질병을 사전에 예방하고 더 나아가 질병이 발현하기 전 치료(i.e. proactive healthcare)하는 것이 사실상 불가능하다고 지적했다.
반면 웨어러블, 생체 삽입용(implantable) 바이오센서는 개인의 건강상태에 대한 실시간 모니터링을 가능하게 해 현재의 헬스케어 시스템이 갖고 있는 한계를 극복하고, 더 나아가 조기 질병진단 및 당뇨병과 같은 만성질환의 효율적 관리를 가능하게 할 것이라고 전망했다.
한 교수는 최근 개발된 생체 삽입용 바이오센서 기술들은 그간 불가능했던 새로운 융합연구들을 가능하게 할 것으로 기대되는데 일례로 신경과학 분야에서는 소형화된 바이오센서를 뇌에 삽입해 각종 뇌 질환에 대한 바이오마커를 찾는데 이용할 수 있을 것으로 기대되며, 특히 뇌에 삽입된 신경전달물질 센서는 뇌 동작의 이해를 신장시키는데 큰 도움이 될 것으로 예상된다고 밝혔다.
또 Plantronics 분야에서는 다양한 바이오센서들을 식물에 삽입해 사물 인터넷으로 통합하면 토양 및 식물의 건강과 생물 군계 간의 상호 작용을 모니터링하는 글로벌 데이터베이스 구축이 가능할 것으로 기대된다고 설명했다.
그뿐만 아니라 이 기술을 통해 향후 연구원 및 환경 운동가 또는 농기계의 운영시스템이 농장이나 산림에 ‘로그인’해 식물 영양소 및 기생충을 실시간으로 보고할 수 있는 ‘생물 인터넷’(Internet of Living Things, IoLT) 플랫폼을 개발할 수 있게 될 것으로 예상했다.
임현규 인하대 교수는 ‘Large-scale Genome and Transcriptome Analyses for Microbial Host Engineering’을 주제로 한 발표에서 유망한 미생물 플랫폼인 Pseudomonas putida KT2440를 효과적으로 활용하기 위한 두 가지 게놈 및 전사체 데이터 활용 방법을 소개했다.
우선 바이오프로세스와 관련된 미생물의 성능을 향상시키기 위한 인공 적응 진화 연구(adaptive laboratory evolution) 전략에 대해 그는 :자연에서 얻는 미생물은 방향족 화합물을 효과적으로 분해하는 등 장점을 가지고는 있지만, 바이오 공정에서 필요한 모든 조건을 만족하지는 않는다“며 ”연구에서는 난분해성 탄소원의 전환 속도를 증가시키기 위해 미생물을 실험실 환경에서 독립 및 병렬 진화시켜 자일로스와 갈락토스를 효율적으로 대사하는 미생물을 확보하고, 진화된 미생물들의 유전자 시퀀싱을 통해 향상된 형질과 밀접한 연관성을 가진 주요 돌연변이 유전자를 성공적으로 식별했다“고 설명했다.
미생물의 유전자 발현 조절 네트워크를 규명하기 위한 유전자 발현 프로파일의 기계학습 활용 데이터 분석과 관련해서는 ”다양한 환경에서 수집된 수백개의 유전자 발현 프로필을 분석한 결과, 최소 38개의 전사 조절 단백질이 조절을 담당하는84개의 유전자 그룹을 특정할 수 있었다“며 ”이러한 대규모 게놈 및 전사체 데이터를 기반으로 축적된 정보는 효과적인 미생물을 개발하기 위한 기반 정보로서 활용돼 친환경 바이오 화학 산업을 육성하는데 크게 도움 될 것으로 기대된다“고 밝혔다.
그는 차세대 시퀀싱 비용의 큰 하락과 관련 오믹스 빅데이터 분석 기술의 비약적인 발전은 효율적인 생물 공정 개발을 위한 숙주 미생물의 이해를 향상시킬 수 있다고 설명했다.
이외에도 이날 열린 신진연구자 포럼에서는 '생체 위치 정보의 분포 측정을 위한 혈액 적합 생체 전기 및 화학 센서 어레이', '위장관 점막 인터페이스 디바이스', '현장 진단형 플랫폼과 CRISPR유전자 가위를 활용한 치료법', '생체이식 환경에서 사용이 가능한 기능성 전자소자와 이를 활용한 신경계 질환 치료용 전자약 기술' 등이 소개됐다.
