특·별·기·획 (Ⅱ)
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 3, 2005…307
질칩용 linker물질을 개발하여 시판하고 있다. 특히 최
근 생명공학연구원에서는 단백질-단백질 결합을 형광 이나 동위원소 표지없이 측정할 수 있는 SPRI (surface plasmon resonance imaging) 바이오칩 측 정 시스템을 개발한 바 있다. 생명공학연구원에서 개 발한 SPRI system은 현재 케이맥(주)에서 기술이전
을 받았으며, 시판 계획중에 있다[그림 3].
맺음말
단백질칩은 post-genome 시대에 생명공학 분야의 가장 근간이 되는 기술로서 방대한 양의 생물정보를 해석하는 생명공학 툴뿐만 아니라 초고속 신약 스크리 닝, 질병진단 등에 반드시 필요한 기술이다. 단백질칩 연구는 선진국에서도 최근 시작하였으며, 국내에서도 독창적이고 경쟁력 있는 결과들이 나오고 있다. 이는 다학제간 융합연구를 통한 결과라 할 수 있으며, 앞으 로도 학제간 공동연구는 가속화될 것으로 전망된다. 단 백질칩의 경우 단백질칩용 바이오컨텐츠 기술, 단백질 칩 표면화학 기술, 단백질칩 측정 및 검출기술, 단백질 칩 시스템화 기술 등 우리나라의 강점기술인 전자, 화 학, 기계, 재료기술을 생명공학에 접목하여 기술적, 산 업적 시너지를 극대화할 수 있는 기술이라 할 수 있다.
서론
세포내의 총체적인 단백질군은 대상으로 연구하여 유전자 기능을 규명하는 proteomics가 post-genomic 시대에서의 생물학 분야 연구로 부상하고 있다. 최근 에는 유전체나 단백질체를 중심으로 한 이른바 총체 적 생물학적 개념에서의 연구 paradigm이 바뀌고 있 는 추세이다. Proteomics는 단백질 상호작용 및 단백 질 발현 패턴을 연구하여 단백질 기능을 규명하는 연 구분야로서 genomics와는 전혀 다른 특성 및 접근 방 법이 요구된다.
Proteomics 연구를 위한 tool은 현재 제한적이라서 단백질 기능 연구 및 응용 연구에 한계를 가지고 있다.
본론
1) Protein Microarray Chip의 필요성
현재 proteomics 연구를 위한 방법론은 새로운 단 백질 marker 발굴을 위한 2D-gel-mass spectrometry 와 structural proteomics를 위한 x-ray crystallography 및 NMR 등이 있으나, functional proteomics 연구를 위 한 tool은 제한적이며, 앞으로 breakthrough technology 의 개발이 향후 기술경쟁력의 관건이 될 것이다.
Proteomics 연구는 궁극적으로 첫째, multi-analyte 를 분석할 수 있는 진단분석 방법, 둘째, 신약 target identification & validation 및 후보물질 screening에 필요한 HTS system 기술개발이 중요한 목표가 된다.
단백질칩이 이러한 연구를 위한 platform technology 를 제공할 것이다.
그림 3. 한국생명공학연구원 SPRI Protein Chip System.
Protein Microarray Chip
강 인 철
충북대학교 바이오연구소 단백질칩 연구센터, ickang@chungbuk.ac.kr
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현재까지 protein-protein interaction 연구를 위한 방법론은 Yeast 2-hybrid system과 Biacore와 같은 SPR analytical system이 공급되고 있으나, 모두 HTS으로는 적합하지 않기 때문에 신약 스크리닝 목 적으로는 한계가 있다.
최근 관심이 집중되고 있는 protein microarray chip 기술이 향후 functional proteomics 연구개발의 핵심이 될 것이며, 앞으로 ultra-sensitive microarray protein chip 개발 및 이를 이용한 protein-protein, protein-ligand, protein-DNA interaction 등 기초적 연구와 microarray system을 이용한 진단킷트, differential protein expression profile study, 신약 후 보물질의 HTS screening system 등 응용기술 개발 에 protein chip이 중요하게 사용될 것이다.
2) Protein Microarray Chip의 핵심 기술
① 표면화학 기술
고형기판위에 단백질을 최대한 활성이 유지된 상태 로 안정하게 고정화하기 위한 최적의 표면화학 기술 이다. 현재까지 개발된 표면화학기술은 크게 다음과 같이 3가지로 구분할 수 있다.
1. Absorption Methods
- Carboxymethylated cellulose, dextran, collagen - DEAE cellulose, dextran, collagen
- Hydrophobic interaction on lipid mono-layers 2. Covalent Bonding
- Biotin-streptoavidin(or avidin) bonding - Succimide ester activated carboxylation of
amino groups
- Mercapto-, amino-, epoxy-terminal silane and bi-functional cross linker conjugation
- Crosslinking with bi-functional cross linkers 3. Self-Assembling Linker Molecules
- Alkanethiol-poly(ethylene oxide) - ProlLinker
이러한 표면화학 기술을 이용하여 개발된 protein chip base plate 종류는 다양하다. 먼저 유리 재질로
만들어진 plate(aldehyde or amine slides, glass slides coated with poly-L-lysine, poly-acrylamide, BSA- N-hydroxysuccinmide과 cellulose, collagen, dextran or SAM molecule)는 코팅 처리에 따라 종류가 다양 하다. 형태에 따라 3종류로 나눌수 있는데, plain-glass chip, 3D gel pad chip, 그리고 microwell chip으로 개 발되었다. 그 외 nitrocellulose membrane filters, nylon 또는 polyvinylidene difluoride polystylene film 등이 단백질칩의 고형 기판으로 개발된 것들이다.
② Capture Molecules
표면 처리된 고형 기판위에 고정시킬 생체물질을 의미한다. 항체, 세포 수용체, 효소 등을 고형 기판에 고정할 수 있다. 단백질의 효과적인 고정화를 위해 affibody(Protein A의 IgG 결합 부위를 근거로 하여 3개의 helix 다발로 구성된 small protein), aptamer (molecular recognition에 사용되는 oligonucleotide sequences) 등을 이용한 단백질 고정화를 연구하고 있다.
Plain-glass slide
3D gel pad chip
Microwell chip
그림 1. 현재 개발된 Glass Slide 단백질칩.
그림 2. Capture Molecule의 일종 (A) MS2 Coat Protein이 결합된 RNA Aptamer, (B) Affibody.
(A) (B)
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③ Detection System
단백질 상호작용에 효율적인 분석 system을 말한 다. 현재는 형광을 이용한 형광 스캐너가 보편적으로 사용되고 있으나, 앞으로는 native 상태에서 단백질 상호작용 연구가 이루어질 추세이므로 label-free protein을 분석할 수 있는 여러 가지 방법들이 모색되 고 있다. 그 예로 Surface Plasmon Resonance(SPR), Quartz Crystal Microbalance(QCM), Atomic Force Microscopy(AFM) 등이 활발히 연구되고 있으며, 상용화를 추진하고 있다. SPR 방식은 Biocore 제품으 로 잘 알려져 있으며 이미 상용화되어 있는 가장 발전 된 방법이다. QCM은 아직 기초 연구단계인데, 앞으 로 multiplex 분석방법이 해결되면 단백질 분석 방법 으로 바이오분야에 다양하게 응용될 수 있을 것이다.
AFM 방식은 나노 수준에서 단백질 상호작용 및 바 이오 분석 시스템으로 현재 기초 연구가 이루어지고 있고, 향후 상용화를 추진하는 방향으로 발전되리라 예상된다. 미국의 Bioforce nanoscience사에서 개발하 고 있는 ViriChip은 다양한 virus를 분자 수준에서 분
석할 수 있어, 가까운 미래에 상용화 될 것이다.
3) Protein Microarray Chip의 응용분야
① Biomarker Assay
Biomarker들의 mutiplex analysis를 수행할 수 있 는 질병 진단용 단백질 칩에 응용할 수 있다.
② New Drug Screening
고집적 단백질칩을 이용한 새로운 방식의 신약 후 보물질 스크리닝 방법을 개발할 수 있다. 단백질 상호 작용을 이용한 단백질칩 기반 신약후보물질 초고속 스크리닝 시스템의 개발이 가능하다. 질환 표적 단백 질들을 중심으로 Natural product libraries, Phage display peptide libraries, Chemical libraries 등을 활 용한 protein-protein 및 protein-ligand interaction 시 험을 통해 새로운 신약 후보 물질을 도출할 수 있다.
③ Differential Protein Expression Profile Study
단백질 발현 패턴 연구에 기반 기술로 응용이 가능 하다. 항체 칩을 이용하여 세포나 조직 등에서 발현되
그림 4. Protein Microarray Chip의 핵심 기술.
그림 6. ProteoChip(프로테오젠 Inc.)을 이용한 신약 후보 물질 HTS 방법.
그림 3. Protein Microarray Chip의 Detection 기술 (A) 형 광 분석 장비, (B) Bioforce Nanoscience사의 ViriChip.
(A) (B)
그림 5. ProteoChip(프로테오젠 Inc.)을 이용한 Cancer Marker Assay 방법.
특·별·기·획 (Ⅲ)
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는 단백질 체의 profile을 분석함으로써 신규 단백질 marker를 발굴하는데 효과적일 것이다. 향후 2D gel- mass 방법과 공존하면서 상호보완적으로 발전할 것 이라 전망된다.
결론
생물분자들의 고밀도 집적에 의한 진단, 신약개발 의 고효율화는 이미 세계적으로 가장 중요한 기술 이 되어가고 있다. 극소량의 시료로부터 다양한 분 석을 효율적으로 가능케하는 가장 큰 장점이 불러 온 이러한 추세는 이미 결정적이며, 우리나라에서 외면할 경우 생물산업 전반에서 낙오자가 될 수밖 에 없다. 따라서 protein chip의 개발은 더 이상 미 룰 수 없는 사업이라 하겠다.
Protein chip은 전자, 생물, 화학, 재료 등 다학제간 학문분야의 공동 연구를 통한 시너지 창출이 필수
적이고 국가주도의 산·학·연 융합을 통해서만 연 구개발이 가능한 대표적인 분야이다. 따라서 국내 관련 분야의 협조체계 구축 및 연구 수준을 향상시 키고, 이제 시장 형성 단계에 이른 바이오칩 산업을 선도 할 위치에 오르는 독창적인 칩 기술의 개발이 시급하다 할 수 있다.
현재 선진국에서 개발 사용되고 있는 Plate-based HTS는 신약 타깃 응용의 한계에 와 있으며, 스크 리닝 비용도 고가이다. 따라서, 저렴하고 활용도가 높은 단백질 칩을 이용한 HTS 시스템의 개발이 시 급하다. 고감도 단백질칩 응용기술은 궁극적으로 신약 후보물질의 초고속 스크리닝(high thoughput screening) 시스템 개발에 유용하게 활용될 수 있 다. 이러한 기술은 향후 표면화학, 단백질화학 뿐만 아니라 robotics, electronics 및 instrumentation 등 의 기술이 복합적으로 적용되는 분야이므로 관련 전문가들의 유기적 연구개발 체제의 구축이 필수적 이며, 복합기술 시스템 개발을 위한 국내역량을 평 가 결집하고 그 기반을 구축해 나가는 것이 국가적 으로 시급한 기술 분야이다. 이러한 단백질칩 기반 기술은 국내 제약 산업에서 널리 활용되어 차세대 생명공학 기술혁신에 대비하고 신약개발 역량을 제 고하여, 성공적으로 신약물질을 개발, 해외수출의 길까지 열게 된다면, 우리나라 산업 경제 발전에 대 한 기여도는 거의 무한한 것으로 평가된다.
그림 7. ProteoChip(프로테오젠 Inc.)을 이용한 Expression Proteomics 연구 방법.
이 윤 식
서울대학교 화학생물공학부, yslee@anu.ac.kr
