서론
2006년의 노벨 화학상은 X-선 결정법(X-Ray Crystallography)이라는 광학정보기술을 이용하고, 결합(화학) 반응을 유도하는 RNA 폴리머라제라는 효소에 의해 DNA에서 mRNA로 유전자 코드가 완 벽하게 복사되는 전사(Transcription)의 메커니즘을 밝혀낸 공로로 미국 Stanford 대학의 Roser Kornberg 교수가 수상했다. 2009년의 노벨 화학상은 X-선 결정 법과, 2009년 노벨 물리학상을 수상한, 디지털 카메라 에 탑재되는 광 검출기인 전하결합소자(CDD)인 광 학 센서를 이용해 단백질 공장인 리보솜(Ribosomes) 에서 mRNA가 가져온 유전자 코드를 완벽하게 번역 (Translation)하여 단백질을 만드는 메커니즘을 밝혀
낸 공로로 영국/미국/이스라엘의 세분의 과학자들이 수상했다. 이들은 모두 기존의 화학공학기술에 광학 정보기술과 바이오기술을 융합함으로써 생명과학의 비밀을 풀어낸 것이다. 이제 여러 기술들을 융합하지 않고는 화학공학의 미래는 없다는 의미이다. 이에 대 해 자세히 살펴보고 이외의 몇 가지 최첨단 융합사례 를 들어 화학공학의 미래를 전망해보기로 한다.
2006 노벨 화학상
우리 몸이 유전자에 저장된 정보를 이용하려면 복 사(Copy)가 반드시 먼저 일어나야 하고 그 다음 만들 어진 물질(단백질)들을 세포 외부로 내보내야 한다.
예를 들어 유전 정보는 단백질 생산을 위한 명령으로
2006년 노벨 화학상은 X-Ray 결정법이라는 광학정보기술을 이용해 유전정보의 전사의 메커니즘을 밝혀내 수상했다.
2009년 노벨 화학상은 X-Ray 결정법에 광학센서 기술을 이용해 리보솜에서의 단백질 생산인 번역의 메커니즘을 밝혀 내 수상했다. 또한 다른 화학자들과 화학공학도들은 바이오기술과 여러 다양한 기술을 융합에 탄소나노튜브와 DNA를 합성한 다기능 다용도의 3차원 나노결정 구조물질을 창조하는가 하면 몸 속에서 작동하는 다용도 RNA 컴퓨터를 만들 어 냈다. 이들의 창의와 창조는 인류의 혁명과 인류의 삶의 질을 위해 도전한 결과이다. 그러나 이들의 영광과 명예의 전당 핵심기술은 바로 화학기술이라는 점이다. 따라서 이제부터는 기존의 화학기술에 다양한 학문과 기술을 융합하는 화학융합기술에 도전해야 하는데, 이는 화학공학도들의 몫이며 도전이다.
“새로운 비트(BIT)가 온다(III)”
바이오화학융합과 화학공학융합의 미래
차 원 용
아스팩미래기술경영연구소 소장, [email protected]
이용되는데, 그러면 그 다음 단백질들은 실제 유기체 (Organism)를 구축하고 그 유기체의 기능을 활성화 한다. 이때 DNA에서 mRNA로의 유전 정보 복사과 정을 전사(Transcription)라 부른다. 로저 콘버그 교 수는 박테리아의 반대 개념인, 잘 정제된 핵(well- defined nucleus)을 가진 세포 유기체들을 유핵세포 (eukaryotes)라 정의하는데, 이들 유핵세포 내의 분 자 수준에서 전사가 어떻게 일어나는지를 실제 그림 으로 작성한 최초의 과학자이다. 인간과 같은 포유류 들을 비롯한 이스트(yeast)에 이르기까지 이 과정은 동일하며 이들은 모두 유핵세포 그룹에 속한다. 따라 서 전사는 모든 생물체에 반드시 필요한 과정이다.
생명 현상을 유지하기 위해선 인슐린이나 소화 효 소 등 수만 가지의 단백질이 있어야 한다. 어떤 단백 질이 만들어지려면 반드시 DNA→ RNA→ 단백질 합성으로 이어지는 유전 정보 전달 과정을 거친다. 즉, 몸에 혈당이 높아 인슐린이 필요하다는 정보가 세포 로 전달되면 DNA는 인슐린을 만들 수 있는 유전 정 보를 전달하기 위한 RNA를 합성한다. 인슐린은 DNA로부터 RNA가 가져온 유전 정보를 바탕으로 만들어진다. 콘버그 교수는 DNA에서 RNA가 합성 되는 과정을 분자 수준에서 규명한 것이다.
로저 콘버그의 기여는 이 과정을 X-레이 결정법을 이용하여 영상으로 그려냈다는 점이다. 그의 그림들 은 대부분 2001년에 만들어진 것들인데, 우리는 그의 그림에서 새로운 RNA 가닥들이 지속적으로 만들어 지고 있으며, 전사 과정에서 다른 분자들의 역할도 중 요함을 볼 수 있다. 그의 그림들은 너무도 상세해서 몇몇 원자까지 분리해 낼 수 있으며 전사가 어떻게 일 어나고 조절되는지를 자세히 이해할 수 있다. 물론 [그림 1]은 실제 분자들의 이미지가 아니라 컴퓨터로 만든 것이다. 그러나 컴퓨터를 활용한 DNA와 RNA 의 전체 합성 과정을 그림으로 나타내어 분자 메커니 즘을 이해할 수 있도록 한 것이 그의 업적이다.
중요한 것은 하얀 실타래들인 RNA-폴리머라제 효
소들이다. 이들은 오른쪽으로 뻗은 이중나선 띠 형태 의 DNA(DNA-helix, 푸른색)에서 빨강색의 RNA를 합성케 하고, 유전 정보를 구성하는 32억 개의 염기 서열들이 정확하게 RNA로 전사되도록 아주 작은 공 간(Cavity)을 만든다. 그리고 이 공간에 32억 개의 염 기 서열들이 상보성 원칙에 따라 A→ U(T를 U로), T→ A, G→ C, C→ G의 순서로 정확하게 전사토록 한다. 정확한 전사가 끝나면, 푸른색의 DNA 가닥들 은 RNA-폴리머라제 내에 있는 초록색의 아주 작은 나선 구조(a small helical structure in green color)에 의해 즉시 그 자리를 떠나 앞으로 전진하게 한다. 그 다음 RNA가 핵에서 빠져나가 리보솜으로 이동하면, 이 스프링 같은 초록색의 나선구조가 앞으로 갔다 뒤 로 갔다 하면서, 또 다른 RNA 합성 및 전사를 위해, DNA 가닥으로 하여금 다시 중앙의 제자리에 위치토 록 한다. 독버섯에 의해 독에 감염되면 독소들은 바로 이 RNA-폴리머라제들의 과정을 파괴하는 것이므로 RNA 합성도 불가능하고 전사도 불가능하게 된다. 따 라서 로저 콘버그의 업적은 최초로 RNA-polymerase
↔ DNA ↔ RNA 라는 트라이앵글 과정을 구조화한
그림 1. X-선 결정법에 의한 RNA-polymerase ↔ DNA(ds)
↔ RNA(ss)라는 트라이앵글 과정 구조화(노벨상위
원회, 2006).
것이며, DNA에서 RNA를 먼저 합성하고, 그 다음 DNA의 정보를 RNA로 전사할 때 염기들의 정확한 화학(결합) 반응을 유도하는 것은 바로 RNA 폴리머 라제 효소이며, RNA 폴리머라제 효소와 염색체에 있 는 DNA 폴리머라제 효소가 상호 협력한다는 사실을 밝혀낸 것이다.
2009 노벨 화학상
전사(Transcription)가 있으면, 그 다음 mRNA에 전사된 유전 정보를 mRNA가 공장인 리보솜 (Ribosome)으로 가져가 번역(Translation)하는 과정 이 있어야 한다. 앞서 소개한 2006년의 노벨 화학상은 전사(Transcription)의 메커니즘을 밝혀 수상했다. 이 번 2009년도 노벨 화학상은 따라서 나머지 단계인 번 역(Translation)의 메커니즘을 밝혀 수상했다는 점이
다. 즉, 2009년 노벨 화학상 수상자들은 세포 내의 일 련의 단백질 공장(Protein factory)인 리보솜에서의 DNA 정보를 생명으로 번역하는 메커니즘을 밝혀낸 것이다. 이 과정을 통해 리보솜은 단백질을 생산하고, 단백질은 모든 살아있는 유기체들에서 생명을 구축하 고 화학반응(화학 상호작용)을 제어한다. 이는 리보 솜은 생명에 필수적이라는 뜻이며 따라서 새로운 항 생제(New antibiotics)를 위한 주요 표적이라는 뜻이 다. 수상자들은 이러한 역할을 하는 리보솜이 어떻게 생겼으며 원자 수준에서 어떤 기능을 하는지를 밝혀 냈다. 3분의 수상자들은 모두 X-선 결정법(X-ray crystallography) 매핑 방법과 2009년 노벨 물리학상 을 수상한 디지털 카메라에 들어가는 광학센서를 이 용해 리보솜을 구성하는 수십만 개의 각각의 원자들 의 위치들을 그림으로 그려냈다.
그림 2. DNA에서 단백질까지, 생명의 코어 프로세스(노벨상위원회, 2009).
모든 유기체들 내의 모든 세포 안에는 DNA 분자 들이 있다. 이 DNA 분자들은 어떻게 인간이 되는지, 하나의 식물이 어떻게 생명을 유지하고, 하나의 박테 리아가 어떻게 삶을 영위하는지 등의 청사진 (Blueprints)인 유전자 코드인 코돈(Codon)을 갖고 있다. 그러나 DNA 분자들은 수동적(Passive)이라는 점이다. 만약 이 청사진을 번역하고 실제로 만들어 낼 수 있는 다른 것들이 존재하지 않는 한 어떠한 생명체 도 살아 남을 수 없다. 따라서 이 청사진들은 리보솜의 작업에 의해 실제 살아 있는 실체로 변형되게 된다.
DNA에 있는 정보(코드)에 따라 리보솜은 단백질들을 만든다. 예를 들면, 폐에서 몸 전체에 산소를 실어 나르 는 헤모글로빈(oxygen-transporting haemoglobin), 바이러스 등의 항원에 침투하여 항원(antigens)을 죽 이는 면역 시스템이 분비하는 항체들(antibodies), 혈 당의 수치가 높아 질 때 이를 낮추는 인슐린 같은 호 르몬(hormones such as insulin), 피부의 콜라겐 (collagen), 설탕을 분해해 에너지를 만드는 효소 (enzymes), 머리카락이나 손톱을 길러내는 케라틴 (Keratin) 등 우리 몸에는 수십만 개의 단백질들이 존재하는데, 이들 단백질들은 형태가 서로 다르고 기 능도 서로 다르다.
이들이 밝혀낸 가장 혁혁한 공로는 생명의 과학적 이해를 제시한 것이다. 따라서 실제적이고 즉각적으 로 활용할 수 있다. 예를 들면 오늘날 대부분의 항생 제는 박테리아나 병원균의 리보솜의 기능을 막거나 파괴하여 질병을 치료하는 것이다. 왜냐하면 기능성 의 리보솜이 제거되면 박테리아들은 절대 살아 남을 수 없다. 이게 바로 새로운 항생제를 위해 리보솜이 새로운 표적으로 떠오르고 있는 이유이다. 수상자들 은 서로 다른 항생제들이 리보솜에 어떻게 달라 붙는 지 3차원 모델로 제시했다. 이들이 제시한 모델들은 현재 새로운 항생제를 만드는데 사용되고 있으며, 생 명을 살리고 인간의 고통을 줄이는데 획기적인 역할 을 하고 있다.
미래의 화학공학에 도전 탄
탄소소나나노노튜튜브브++DDNNAA == 33차차원원 나나노노결결정정 구구조조물물질질 - 2008년 1월 31일, 탄소나노튜브 기술과 DNA의 메커니 즘을 이용하는 기술이 발견되었다. 미국 노스웨스턴대 의 화학과 및 국제나노연구소의 채드 미르킨(Chad Mirkin) 교수 및 박성용 박사(Park & Mirkin et al., 2008), 그리고 미국 브룩해븐연구소의 기능성 나노물 질 센터와 생물학과의 과학자들이(Nykypanchuk &
Gang et al., 2008) DNA의 상보성 원리와 자기조립 원리를 이용해 스스로 조립되는 콜로이드 10나노입자 의 3차원 결정구조 물질을 만들었다.
그림 3. (A) Nykypanchuk & Gang et al.(2008)과 Park &
Mirkin et al.(2008)이 상보성의 염기가 코팅된 두
종류의 10나노크기의 금 나노입자(공)를 결합. A입
자(빨강색)와 B입자(파랑색)는 수십 개의 DNA 염
기 가닥이 코팅되어 있어 상보성의 원리에 의해
CH
2공유결합을 한다. 이들 가닥들의 끝에 바로
상보성 염기들이 코팅되어 상보성에 따라 결합하
는데, 이를 금과 악수하기(Golden Handshake)라 부
른다. (B) 물에서의 혼합과 온도 조절을 통해 고온
에서는 서로 결합하여 3차원 결정체를 이루고 다
시 온도가 냉각되면 용해 분리되어 금 나노입자
로 되돌아 간다. 본 그림은 금 나노입자들이 자기
조립하여 커다란 잘 배열된(Ordered), 빨강입자A를
중심으로 8개의 B입자들이 대칭을 이루어(이를
body-centred-cubic, b-c-c라 부름) 3차원 큐빅의 결
정체 어레이를 구축한 이미지이다. 이를 잘 활용
하면 하나의 셀(Cell)에 A를 게이트웨이로 하여 총
8개 이상의 정보를 담을 수 있고, 8개 이상의 약을
담아 몸 안에 침투시킬 수 있다(Crocker, 2008).
이들은 10나노 금(Gold) 입자(AuNP, Au Nano Particle)인 A에 수십 개의 DNA 염기 가닥을 코팅하 고, 여기에 대응하는 상보성의 DNA 염기 가닥이 입 힌 또 다른 금 나노입자 B를 혼합하여, 스스로 조립되 는 3차원 구조 결정체의 나노물질을 발견한 것이다.
이를 금과 악수하기(Golden Handshake)라 부른다 (Crocker, 2008). 따라서 앞으로 일반 성질이 아닌 특 정 성질을 가진 기능성의 나노 복합체나 메타물질을 원하는 3차원 구조로 만들 수 있는 발판을 마련한 것 으로, 향후 광학/전자 물질, 태양전지, 각종 화합물, 그 리고 약물전달 물질로 활용할 수 있을 것으로 기대하 고 있다.
몸
몸 속속에에서서 작작동동하하는는 다다용용도도 RRNNAA 컴컴퓨퓨터터- 2008년 10 월 캘리포니아공대(Calteh)의 화학공학과 교수들은 살아 있는 세포의 RNA 가닥을 이용해 스스로 자기 조립하는 나노크기의 RNA 분자 컴퓨터를 만들었다 (Win and Smolke, 2008). 프로그램이 가능한 이 RNA 컴퓨터의 궁극적 목표는 세포 안에서 생물학적 분자 기능들을 제어하는 것인데, 예를 들면 죽어야 할 세포나 단백질이 살아 있으면 이를 감지하여 죽이고, 암세포까지 제거할 수 있으며, 특정 약을 전달하는 스 마트한 약물전달시스템(Smart Drug Delivery Systems)으로도 활용할 수 있다.
바이오분자(Biomolecules)를 이용해 최초의 컴퓨 터를 데모한 것은 1994년에 University of Southern California의 Leonard Adleman이었다. 그 이후 이스 라엘 Weizmann Institute of Science의 Ehud Shapiro가 그 방법론을 발견했다. 그러나 이번 연구 결과는 세포 안에 특정 분자들이 있는지 없는지를 식 별하는 최초의 능력을 가진 RNA 컴퓨터이다. 따라서 세포 내의 특정 환경에 반응하는 컴퓨팅 디바이스를 만들 수 있다는 가능성을 제기하고 있다. 예를 들면, 이 RNA 디바이스에 프로그램과 약을 넣어 적재 적 소에 적기로 약을 방출시킬 수 있다.
Smolke와 Win은 형광 단백질을 생산하는 이스트 세포(Yeast Cells)의 테트라사이클린(Tetracycline) 과 데오파일린(Theophylline)이라는 두 가지 약을 감 지해 내기 위해 RNA 컴퓨터를 디자인했다. 이 바이 오컴퓨터는 나노크기의 3가지의 주요 요소기술로 만 들었다. 센서(Sensors), 구동체(Actuators), 그리고 송신기들(Transmitters)로 이들은 모두 RNA 가닥으 로 구성되었다. 입력장치 역할을 하는 센서들은 특정 표적에 달라 붙는 항체(Antibodies) 역할을 하는 RNA 분자들인 아프타머(Aptamers)로 만들었고, 출 력장치 역할을 하는 구동체들은 효소의 촉매 역할을 하는 촉매 특성을 가진 RNA 분자 복합체인 리보자 임(Ribozymes)으로 만들었다. 그리고 이 둘을 연결 하는 다른 RNA 분자로 만들어진 송신기들은 센서가 하나의 입력 화학분자를 감지하면 바로 구동체를 작 동시키는 것이다. 그 결과 이들 3가지의 RNA 요소 기술들은 다양한 유형의 로직 게이트(Logic Gates) 역할을 하고 있음을 밝혀 낸 것이다. 예를 들면 하나 의 AND 게이트는 센서가 반드시 두 가지 약을 감지 해 낼 때에만 하나의 출력을 만들어 내고, 반면 하나 의 NOR 게이트는 두 가지 약 중 하나도 감지되지 않 을 때 출력을 만들어 낸다.
그러나 이번 연구는 데모에 불과하다. 하지만 이번 분자 모듈을 잘 이용하면 플러그 & 플레이 기능
그림 4. RNA 컴퓨터(사진: Technology Review (17/Oct/2008)).
(Plug-and-Play Capability)의 컴퓨터 디바이스를 만 들어 낼 수 있고 다양한 방법으로 이들을 조합해낼 수 있다. 그러면 서로 다른 아프타머들은 서로 다른 수천 가지의 신진대사 작용이나 단백질의 입력을 감지해 낼 수 있다. 이들이 만든 디바이스는 우선 DNA에 RNA 염기를 엔코딩하고 그 다음 이것을 세포 안에 주입한 것이다. Smolke와 Win은 이미 가능한 동물 실험을 하 기 위해 동료 연구자들을 찾아냈다. 이들은 함께 이들 바이오컴퓨터가 실제로 동물의 세포에 전달될 수 있는 지를 연구할 예정이다. 또한 작동이 되면 대규모의 센 서를 만들기 위해 연구 규모를 확대할 예정이다.
결론
이상 살펴본 바와 같이 화학공학기술의 미래는 밝 으며 그 융합기술과 응용기술의 개발과 적용 범위는 무궁무진하다. 118개 원자들은 결국 화학법칙에 따라 빌딩블록되어 분자가 되고 물질이 되기 때문이다. 그 러나 기존의 화학기술과 화학공학기술만으로는 안된 다. 정보기술을 융합해야 하고 바이오기술을 융합해 야 생명의 비밀을 밝혀 인류의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 약도 만들고 백신도 만들 수 있으며, 남들이 만 들 수 없는 새로운 기술을 창조할 수 있다. 이를 위해 우리 화학공학도들은 다양한 학문을 통섭하고 융합해
야 한다. 물리학도 통섭해야 하고 컴퓨터공학도 통섭 해야 하며 나노공학과 정보통신공학도 통섭해야 하고 생물학도 통섭해야 한다. 그러나 혼자서는 다 할 수가 없을 것이다. 기본 소양 물리/생물/정보통신/나노공 학만 통섭하고 나머지 심도 있는 전문분야는 네트워킹 으로 연결하면 된다. 이게 바로 요즘 차세대 핵심역량으 로 등장하는 오픈 이노베이션(Open Innovation) 베이 스의 소셜네트워킹(SN)이며 지식네트워킹(KN)이 다. 이를 통해 한 가지에만 정통한 I자형(Specialist) 화학공학도가 아니라 전문적이면서 두루두루 아는 T 자형(Specialized Generalist) 화학공학도가 되어야 한다. 그러나 더욱 중요한 것은 융합을 통한 창조라는 점이다. 미래는 예측하는 것이 아니라 바로 창조하는 것이기 때문이다. 그러므로 화학공학은 바로 창조공 학이라 말할 수 있다. 마지막으로 화학공학도들의 건 투와 건승과 건강과 멋진 사랑과 예술을 위해 파이팅!
이다.
차원용 소장/
