[특별기획] 단백질칩(Protein Chip)

특·별·기·획 (Ⅰ)

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 3, 2005…305 단백질칩이란?

단백질칩이란, 특정 생체물질과 반응할 수 있는 수 십에서 수천 종류 이상의 서로 다른 단백질을 고체표 면에 집적화하여 다양한 생체분자의 결합 효과적으로 분석하는 툴을 의미한다. 유전체의 기능을 규명하는 연구 분야인 ‘functional genomics’는 유전자를 실험 재료로 사용하여 연구하는 genomics, 세포내의 총체 적인 단백질군을 대상으로 연구하여 유전자 기능을 규명하는 proteomics, 그리고 이 두 분야를 공통적으 로 지원하는 bioinformatics로 구분할 수 있다. DNA 정보가 생명체에서 일어나는 모든 활동을 근본적으로 지배하고 있지만 질병의 발현은 한 단계 더 위인 단백 질 수준에서 나타나며 clinical diagnostic testing의 99%는 더 직접적인 결과를 알 수 있는 단백질과 저 분자 물질 수준에서 일어난다. 따라서 최근에는 단백 질 수준에서 생체현상을 이해하기 위한 단백질칩의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다.

단백질칩의 특징 및 응용분야

현재 선진국의 바이오칩은 대부분 DNA, RNA 등 핵산을 분석해 인체 내 특이질병과 질환을 알아내는 것이 주종이며, 현재 선진국들이 DNA칩을 이용한 분 석기술을 거의 독점하고 있다. 그러나 DNA칩으로 분 석할 수 없는 단백질칩만의 특징이 있다.

첫째, 단백질-단백질간의 상호작용에 관한 정보를 직접적으로 얻을 수 있다. 세포의 신호전달이나 조절 은 단백질간의 상호작용 형태로 나타나는데 이를 이 해할 수 있는 수단이 된다.

둘째, mRNA만을 가지고 얻기 힘든 문제점으로, 많은 질병이 전사후 조절이나 단백질 생성과 같은 문 제점으로 야기되는 정보들을 얻을 수 있다.

셋째, 유전자 염기서열의 차이가 직접적인 질병을 의미하거나 표현형의 차이를 나타내지 않는다. 따라 서 DNA칩에서 염기서열의 차이를 검출해도 얻고자 하는 정보의 질은 단백질칩으로부터 얻는 정보의 중 요성에는 크게 떨어질 수밖에 없다. 이와 같은 DNA 칩의 한계를 극복하기 위해서는 단백질에 관한 정확 한 정보를 제공할 수 있는 단백질칩과 같은 툴이 필요 하다.

단백질의 분리, 확인, 정량, 및 기능해석을 칩 상에 서 적은 양의 샘플로 수행할 수 있어서 신약 고속스크 리닝(HTS) 및 진단 분야에 널리 활용될 수 있다.

HTS 단백질칩 기술은 미량의 시료만을 요구하는 스 크리닝 기술로 가치가 있다. 물질의 라이브러리의 가 격은 mg당 1달러에서 약 30달러까지 소요되는데 1개 의 assay계에서 10만개의 물질만 스크리닝 한다고 해 도 최소 10만 달러의 비용이 발생하며 10가지 assay 계를 적용하는 경우는 100만 달러의 계산이 나오므로, 소모되는 시료의 양을 줄이는 단백질칩 기술은 HTS 시대에 있어서 그 기술적 필요성이 절대적이다. 진단 용 단백질칩의 경우 한사람의 혈액으로 여러 질환을 동시에 진단하거나, 여러 환자의 혈액을 빠른 속도록 진단하는 것이 가능하게 되며, 새로운 환경, 식품 등의 응용제품들도 가능하게 된다.

단백질칩 시장

이러한 단백질칩 기술의 응용서 때문 바이오칩 시 장은 연 30% 이상의 성장을 보이고 있으며 DNA칩 이 주종인 현 시장은 2010년이면 단백질칩을 중심으 로한 차세대 바이오칩으로 대체될 것으로 예측되고 있다. 단백질칩은 이제 태동하는 분야로 세부요소기 술 개발이 급선무이고 이 분야에 대한 집중적인 투자

(Protein Chip)

정봉현·정선옥

한국생명공학연구원 바이오나노연구센터 {chungbh, moon7142}@kribb.re.kr

특·별·기·획 (Ⅰ)

306…NICE, 제23권 제3호, 2005

는 향후 막대한 경제적 이익을 창출할 수 있을 뿐 아 니라 국제 경쟁력 있는 분야로 성장할 수 있을 것이라 예상되며, 생명공학, 보건 의료, 제약 산업 등의 분야 에서 광범위하게 활용될 것이다. 단백질칩을 포함한 바이오칩 미국시장 규모는 위 [표 1]과 같이 예측된 다(The Freedonia Group, 2000; Fusi-Keizai USA, 2002; 특허기술정보센터, 2001).

국내외 연구 개발의 연구 현황

1991년 미국의 Affymetrix사에서 반도체 공정을 응용한 DNA칩 기술을 개발한 후, 단백질 마이크로어 레이 기술이 최초 소개된 것은 2000년 Havard 대학 의 Schreiber 연구팀이었다(MacBeath & Schreiber, Science, 2000). 그들은 DNA arrayer를 이용해 1만 개 이상의 단백질을 1개의 slide glass 위에 고정시킨 후 형광물질로 표지된 단백질을 반응시킨 후 DNA

chip reader를 이용해 단백질 상호작용을 분석하였다 [그림 1].

Yale 대학의 Snyder 교수를 중심으로 Yeast proteome chip을 개발하여 2001년 Protometrix를 설 립하고, 2003년 yeast proteome유래 4300 단백질이 심어진 yeast proteome chip을 개발하여 시판에 들어 갔다.

Zyomix사는 3차원적 pillar type의 단백질칩 표면 기술을 개발하였다. 본 기술의 장점은 각 기둥의 팁에 단백질 컨텐츠를 올림으로써 비특이적 결합을 최소화 할 수 있으며, parallel dispensing 기술을 적용함으로 써 마이크로어레이어 없이도 단백질의 패터닝이 가능 하다[그림 2].

Groves 교수(UC Berkeley) 그룹은 생체막관련 단 백질을 실리콘 표면의 lipid bilayer에 micropatterning 을 할 수 있는 기술을 보유하고 있으며 이 기술은 현 재 신약 개발의 가장 빈번한 표적이 되고 있는 GPCR 막단백질의 protein array화 함으로써 신약 스크리닝 분야에서의 광범위한 응용이 기대되고 있다.

국내는 2000년대 들어와 단백질칩 연구가 활발하 며, 생명공학연구원, 삼성종기원, LG화학, 프로테오 젠, 충북대 등에서 단백질칩 연구를 수행중이다. 대부 분 진단용 저밀도 단백질칩 연구를 수행해 왔으며, 최 근에 HTS 단백질칩 개발 연구를 생명공학연구원, 프 로테오젠 등에서 수행하고 있다. 프로테오젠은 단백

Biochip Product & Service Demand

By Application: 48.7 267.5 1605.0 4650.0 Biomedical Research 37.9 236.0 1265.0 3417.0

Diagnostics 7.9 22.7 181.3 597.0

Other 2.9 8.8 158.7 636.0

By Type:

Biochips 4.2 87.2 648.0 2057.5

Instrumentation 6.0 66.2 298.0 532.5

Services 33.1 47.1 102.6 195.0

Reagents & Consumables 3.3 45.6 491.0 1700.0

Software 2.1 21.4 65.4 165.0

표 1. Biochip Product & Service Demand by Application & Type in USA(million dollars)

Item 1997 1999 2004 2009

그림 2. Zyomix Biochip.

□ Protein-protein interactions

□ Enzymes and their substrates

□ Protein-small molecule interactions A

B C

A

B

D C E

A

B

C

D

1 mm 1 mm

1 mm

그림 1. 단백질칩 최초 연구결과.

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, [email protected]