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[신진연구자 컬럼] 핵산 나노기술(Nucleic Acid Nanotechnology)의 의학적 응용

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Academic year: 2021

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서론

유전정보를 저장하고 전달하는 유전체로서 인식되어 오던 핵산(nucleic acids)은 최근에는 핵산만의 고유한 자기조립(self assembly) 성질을 이용하여 매우 정교한 나노구조물을 만드는 등 다양한 분야에서 활발하게 연구 되어지고 있다. 핵산은 우리가 흔히 알고 있듯이 DNA나 RAN를 지칭하며 4개의 염기(아데닌=A, 사이토신=C, 구아닌=G, 티민=T (DNA일 경우) 또는 우라실=U (RNA일 경우))로 구성되어 있다. 이 염기들이 정렬되 면서 특정한 염기 서열을 지니게 되고, 이에 따라 특정 유전정보를 저장하게 된다. 구조적으로는, 특정 염기서열 을 지닌 외가닥 핵산은 상보적인 염기서열을 가지는 외 가닥 핵산과 결합을 통한 이중나선 구조를 가지게 된다.

이러한 염기서열의 조절을 통한 상보결합은 자기조립을 가능하게 하며, 나노 수준에서의 결합 조절이 가능하게 된다. 따라서 나노 구조물 형성을 위하여 핵산은 매우 용 이한 재료로 인식되고 있다.

[그림 1]과 같이, DNA를 이용한 구조물은 1982년 뉴 욕대학의 Nadrian C. Seeman 연구팀이 고안한 나뭇가 지 모양의 나노구조물을 시작으로 지속적인 연구와 발전 끝에[1], 캘리포니아 공대의 Paul W.K. Rothemund 연 구팀이 최근 개발한 나노사이즈의 사람얼굴과 같은 좀 더 복잡하고 세밀한 나노구조물 형성하는데 성공하였다 [2]. 또한, 애리조나주립대의 Hao Yan 연구팀은 기존 2 차원 구조물에서 벗어나 항아리 모양 도자기와 같은 3차 원 구조물을 형성하는데 성공하는 등 DNA를 이용한 나 노구조물 형성은 무한한 가능성을 가지고 있다[3]. 또한, 이와 같은, 핵산으로 형성된 나노 구조물은 단순한 모양 형성에서 더 나아가, 치료[4], 범죄의학[5], 환경[6] 등 다양한 분야에서 활용되어지고 있다.

본 컬럼에서는 핵산을 활용하여 나노구조물을 형성하 고, 이를 응용하여 발전시킨 연구 내용을 소개하고자 한 다. DNA나 RNA를 이용하여 생성된 나노구조물을 통 해 병원체와 같은 목표물질을 진단하는 방법과, 인공조 직 생성과 같은 많은 응용연구를 기대할 수 있는 DNA 하이드로젤을 소개하고자 한다. 또한, RNA를 이용하여

2012 서울시립대학교 화학공학과 공학사 현 재 서울시립대학교 화학공학과 석사과정

한 대 훈

서울시립대학교 화학공학과 dhhan@uos.ac.kr 2004 서강대학교 화학공학과 공학사, 석사 2009 Cornell University 생명공학과 공학석사, 박사 2010 Cornell University 생명공학과 박사후 연구원 2011 Massachusetts Institute of Technology 화학공학과

박사후 연구원

현 재 서울시립대학교 화학공학과 조교수

이 종 범

서울시립대학교 화학공학과 지능형 생체나노소재 연구실 jblee@uos.ac.kr

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siRNA와 같은 약물을 효과적으로 전달할 수 있는 약물 전달 방법들에 대해서도 살펴보겠다.

본론

1) DNA를 이용한 기능성 의료용 재료 1.1. DNA 나노구조물을 이용한 진단

병원체와 같은 목표물의 빠르고 효과적인 진단은 현대 의학 분야에서의 중요성 때문에 유용한 진단 방법을 찾기 위한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 효과적으로 병원균을 탐지하기 위해서, 중합효 소 연쇄반응(polymerase chain reaction)나 RCA (rolling circle amplification) 같은 방법을 통하여 탐 지하고자 하는 타겟의 양을 증폭하는 방법 또는 나 노입자를 사용하여 타겟물질을 탐지하는 방법 등 많

은 연구와 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 또한, 본 컬럼에서 소개하고자 하는 DNA 나노구조물을 이용한 병원균 탐지 방법도 활발하게 개발 및 연구 되어지고 있다.

먼저, DNA 나노구조물을 이용한 병원균 탐지의 한 가지 방법으로서, Dan Luo 그룹이 고안한 나노 바코드[7]를 이용한 탐지방법에 대해서 소개하고자 한다. 나노바코드 방법이란, 상점에서 쉽게 볼 수 있 는 바코드의 원리와 같이, 일련의 과정을 통해 쉽고 간편하게 물질의 존재 여부와 물질의 종류를 확인할 수 있는 방법이다. 나노바코드는 DNA로 이루어진 나노구조물로서, [그림 2]에서 확인할 수 있듯이, 작 은 단위의 나노구조물들의 결합을 통해서 형성될 수 있다. DNA의 가닥 끝에 다양한 형광물질을 달아주 어 Y 모양의 작은 DNA 나노구조물을 형성하고, 이 그림 1. DNA를 이용한 다양한 나노구조물 형성[1~3].

그림 2. DNA 나노구조물(DNA 나노바코드)을 이용한 병원균 탐지[7].

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를 다른 Y 모양의 DNA 나노구조물 또는 X 모양의 DNA 나노구조물들과 연결하여 병원균 탐지가 가능 한 나노바코드를 형성하게 된다. 나노바코드의 한 쪽 끝은 오직 타겟물질에만 반응하여 결합이 가능한 탐침(probe)으로 구성되어 있기 때문에, 효과적으로 타겟물질의 탐지가 가능한 방법이다. 뿐만 아니라, 나노바코드는 형광물질의 종류 및 개수를 정확하게 조절할 수 있기 때문에, 결과 값으로 나타나는 형광 의 색과 형광의 강도(intensity)를 통해, 여러 개의 타겟물질의 동시 탐지가 가능하다는 장점을 가지고 있다.

보다 최근에 발표된 DNA 나노구조물을 이용한 병원체 탐지 방법에는 target-driven polymerization[8]

방법이 있다. Target-driven polymerization 방법에 서는 앞서 설명한 나노바코드를 응용하여 보다 효율 적인 병원체 탐지를 가능하게 하였다. [그림 3]을 통 해 확인할 수 있듯이, 이 방법에서는 병원체 DNA가

존재할 때만, DNA 나노구조물인 ABC(anisotropic branched crosslinkable) 모노머의 중합이 발생되게 하여, 보다 큰 크기의 구조물을 형성하게 유도하였 다. 앞서 소개한 나노바코드를 통한 병원균 탐지 방 법의 경우, 형광물질에 의한 분석만이 가능했다면, 이 타겟 유도형 중합방법은 결과 물질의 충분한 크 기로 인해, 더욱 다양한 분석 장비를 통해 결과를 확 인할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 큰 크기의 나노 구조물은 개별적인 나노바코드보다 무수히 많은 양 자점(quantum dot) 또는 형광물질을 포함하고 있 기 때문에, 보다 정확하고 효율적인 탐지가 가능한 방법이다.

1.2. DNA 하이드로젤을 이용한 응용

DNA로 이루어진 하이드로 젤의 형성은 2006년 Dan Luo 그룹이 Nature materials 저널에 발표한 [9] 이후, 많은 그룹에서 DNA를 이용한 하이드로

그림 3. ABC 모노머를 이용한 병원균 탐지[8].

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젤을 제작하는 연구가 이루어지고 있다. 젤은 그 고 유의 특성으로 인해, 액체와 고체 상태에서 얻을 수 있는 장점들을 지니며, 또한 DNA로 이루어진 하이 드로젤의 경우 그 생체적합성이 매우 뛰어나서 의학 적으로 다양한 분야에서 연구되어지고 있다. Luo 그 룹의 DNA 하이드로젤은 X 또는 Y 형태의 작은 DNA 나노구조물을 접합효소를 이용하여 반복적으 로 결합시켜 생성할 수 있다. 이와 같이 만들어지는 하이드로젤은 거푸집의 종류에 따라 다양한 모양으 로의 형성이 가능하다. 최근에는 칭화대학의 Dongsheng Liu 그룹에서 열과 효소에 반응하여 분 해 및 재결합이 자유로운 기능성 DNA 하이드로젤 [10]의 제조에 성공하였다 [그림 4]. 따라서 필요시 에만 약물을 흘려보내는 스마트 약물전달방법이 가 능하게 됨으로서 약물의 과다 복용으로 인한 부작용 을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 기존의 폴리머 를 이용한 하이드로 젤 제조방법과 달리, DNA 하이 드로젤은 생체 물질인 DNA로 이루어져 있어서 인 체에 독성이 없다는 장점을 가지고 있기 때문에, 다 양한 모양의 상처 부위를 위한 인공조직으로서의 사 용 및 효과적인 약물 전달체로서 의료 분야에서 다 양한 응용이 기대되고 있다.

1.3. DNA 나노구조물을 이용한 약물 전달

많은 연구자들이 질병 치료를 위해 수많은 연구와 개발을 계속해왔고, 그 결과 오늘날 다양한 질병에 대한 효과적인 약물들이 개발되어오고 있다. 이러한 약물 개발과 함께, 효과적으로 약물을 전달하기 위 한 연구 또한 활발하게 진행되어 왔는데, 그 중 DNA를 이용한 약물 전달 시스템에 대한 관심 역시 높아지고 있다.

약물을 전달함에 있어 가장 중요한 요소는 약물을 목표지점에 정확하게 전달하는 것과 적절한 양의 약 물을 손실 없이 목표 지점으로 전달하는 것이다. 이 를 해결하기 위한 방법으로 약물을 쉽게 포함할 수 있는 전달체를 이용하여 목표지점까지 전달하는 연 구들이 활발하게 이루어지고 있다. 현재까지 흔히 이용되어온 대표적인 약물 전달체의 제조법은 고분 자, 단백질, 지질 등을 이용하여 캡슐형태의 구조물 을 만들거나, 나노파티클 표면에 전달하고자 하는 약물을 부착하는 방법이다. 또한, 더욱 효과적인 약 물 전달을 위해 다양한 방법을 통해 계속하여 진보 된 전달 기술 방법들이 개발되어지고 있다. 대표적 으로, 노스웨스턴 대학의 Chad. Mirkin 그룹에서 gold nanoparticle 위에 DNA를 매개로 다양한 약물 을 그 표면에 흡착하여 전달하는 방법을 발표해왔다.

하지만 순수한 DNA 기반의 약물 전달체는 DNA 나노구조물을 기반으로 제조된 DNAsome이[11]

있으며 이 연구는 DNA 자체로 전달체를 만드는 새 로운 접근방법으로 인해 그 결과가 주목 받았었다.

[그림 5]에서 확인할 수 있듯이, Y 모양의 DNA 나 노구조물로 이루어진 전달체로서, 약물뿐 아니라, 핵 산치료제까지도 전달할 수 있는 효과적인 전달체이 다. Y 모양의 한쪽 끝에 붙어 있는 지질로 인해 리 포솜의 지질이중층과 같은 막을 형성하게 되고, Y 형태의 DNA는 친수성 성질을 가지고 있으므로, 결 과적으로는 큰 구형의 DNAsome을 형성하게 된다.

DNA 구조물을 이용하였기 때문에 하나의 구조물에 다양한 기능을 구현할 수 있었으며, 따라서, RNA와

그림 4. DNA 하이드로젤의 형성과 응용 기술 [10].

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상보적인 결합을 통해 핵산치료제를 전달하도록 하 였다. 이를 이용한 방법은 약물과 핵산치료제를 효 과적이고 안전하게 목표지점까지 전달할 수 있는 방 법으로써, 생체물질인 DNA를 사용하였기 때문에, 다른 전달체에 비해 독성에 의한 피해를 줄일 수 있 다는 장점이 있다.

앞에서도 언급했듯이 DNA의 자기조립 성질을 이용하면, 나노구조물의 형성을 쉽게 프로그래밍할 수 있다. 이를 통해, 나노 사이즈의 구조물을 쉽게 만들 수 있을 뿐 아니라, 그 구조물 속에 유전자 질 병을 치료할 수 있는 다량의 siRNA를 효과적으로 연결할 수 있도록 제작할 수 있다. 이러한 원리를 이 용하여 siRNA를 전달하는 방법이 최근 소개되었다 [12]. 이 방법은 [그림 6]과 같이, DNA를 이용하여 사면체의 나노 구조물을 만들었고, 나노 구조물의 각 변 중간에 DNA 외가닥이 존재하게 하였으며, 그 외가닥은 siRNA와의 결합이 가능하도록 프로그래

밍을 하여 최대 6개의 siRNA를 포함하는 사면체 나 노구조물을 생성하였다. siRNA를 포함하는 나노구 조물은 작은 크기로 인해, 신장클리어런스 (renal clearance)를 피할 수 있으며, 구조형성으로 인한 안 정성으로 인해 혈액에서의 잔류 시간을 현저히 증가 시켜서 기존의 방법보다 효과적으로 약물을 목표지 점까지 전달할 수 있다.

이 밖에도 DNA를 이용한 약물전달의 또 다른 연 구로서, 앞서 소개한 ABC 모노머를 이용한 방법이 있다 [8]. DNA 나노구조물은 구조물 끝에 다양한 치료 기능의 물질을 붙여줄 수 있기 때문에, 복합적 인 치료능력을 가진 약물을 생성할 수 있다. 또한, 작은 나노구조물이 모여 수많은 약물을 포함한 구형 을 이루기 때문에, 별도의 전달체 없이도 약물을 효 과적으로 전달할 수 있다는 장점이 있어 다양한 약 물의 전달가능성을 현재 검증하는 실험이 진행되고 있다. 또한 목표지점까지의 정확한 전달을 위하여

그림 5. DNAsome을 이용한 약물 전달 시스템 [11].

그림 6. DNA 나노입자에 의한 siRNA 전달[12].

(6)

타겟물질과의 인지작용이 있는 DNA로 이루어진 압 타머를 이용한다면 그 효과를 더욱 증대할 수 있을 것으로 기대하고 있으며, 현재 그 결과를 확인하기 위한 연구가 진행되고 있다.

2) RNA를 이용한 기능성 의료용 재료

질병 치료를 위한 수많은 노력으로 인해, 오늘날 많은 질병에 대한 치료의 길이 열려 있다. 하지만 여 전히 암과 유전자 질병 같은 치료가 어려운 질병이 남아 있고, 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되 고 있다. 하지만, 치료 기술의 한계로 인하여 치료 약 물을 만드는데 여전히 어려움을 겪고 있다. 이러한 질병의 경우에는, RNA 간섭(RNA interference)에 의해 효과적으로 치료될 수 있음이 확인되었지만, RNA 간섭을 위한 siRNA의 효과적인 전달이 어려 워 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 앞서 설명한 DNA 나노구조물을 이용하여 RNA를 전달하는 방법과 비슷하게, 순수 하게 RNA만을 이용하여 siRNA를 전달체를 만드 는 방법들이 최근에 개발되어지고 있다.

2.1. RNA 나노구조물을 이용한 siRNA 전달

본 컬럼에서 소개하고자 하는 방법은 siRNA 전 달에 잠재하는 그동안의 한계를 극복할 수 있는 방 법으로서, RNA 나노구조물을 이용한 siRNA 전달 방법[13]이다. 앞서 소개한 DNA 나노구조물과 유

사한 방법이지만, DNA가 아닌 RNA로 이루어져 있다는 점과 구조물자체가 siRNA로 분해됨으로서 약물이 되는 새로운 약물전달방법이라는 차이가 있 다. RNA는 DNA와 마찬가지로 자기조립을 통해서 나노구조물을 형성할 수 있기 때문에 RNA 구조물 에 치료에 적용 가능한 siRNA의 염기서열을 제작 단계에서 손쉽게 넣을 수 있다. [그림 7]에서 확인할 수 있듯이, siRNA를 포함한 RNA 가닥들이 부분적 으로 상호보완적인 염기서열을 가지도록 하여 링 모양의 구조물을 형성하도록 하였다. 이를 이용 하여 생성된 나노링은 열적안정성이 향상될 뿐만 아니라, 혈청에 존재하는 리보핵산가수분해효소 (Ribonuclease, RNase)에 대한 저항성이 증가하여 효과적으로 siRNA를 전달할 수 있는 방법으로서 사용될 수 있다. 이 구조물은 특정조건에서 링구조 가 분해될 수 있는 구조로 변화하면서 siRNA를 전 달하는 새로운 방법으로서 관심이 집중된다.

2.2. RNA microsponge를 이용한 siRNA 전달

RNA를 이용한 또 다른 전달 방법으로써, 본 연구 팀과 MIT의 Paula Hammond 연구팀이 개발한 새 로운 개념의 siRNA 전달 방법이 있다[14]. [그림 8]에서 확인할 수 있듯이, 이 방법은 RNA 중합효 소를 사용하여 rolling circle transcription (RCT)이 라는 방법을 통해 RNA를 무한히 반복 생산하는 것 으로, siRNA를 전달하기 위한 전달체의 제조가 따

그림 7. RNA 나노링을 이용한 siRNA 전달[13].

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로 필요 없이 2 마이크로 사이즈의 스펀지 모양의 RNA 전달체를 생산하는 것이다. 이를 RNA 마이 크로 스펀지라 명명하였으며, 이는 순수한 RNA로 만 이루어져 있기 때문에, 인체에 안전할 뿐 아니라, 한 번에 무수히 많은 siRNA를 전달할 수 있기 때문 에 매우 효과적인 약물 전달 시스템이라 할 수 있다.

많은 양의 고밀도로 정렬된 RNA로 이루어져 있기 때문에, 혈청에 존재하는 리보핵산가수분해효소에 의한 분해에도 효과적으로 siRNA를 목표지점까지 전달할 수 있음이 확인되었다. 이 RNA구조물이 세 포 내로 전달된 후에는 Dicer라는 효소에 의해서 siRNA로 분해되는 과정을 거치게 됨으로서 매우 효과적으로 siRNA를 전달하는 방법이라 할 수 있 다. 또한, 기존의 핵산을 이용한 약물전달 방법의 경 우, 많은 양의 핵산을 필요로 하여 비용적인 문제점

이 존재하였지만, RNA 마이크로 스펀지는 RNA 가닥을 무한히 복제하여 구성되기 때문에, 비용적인 문제를 완벽하게 해결할 수 있는 방법이다. 게다가, RNA 마이크로 스펀지는 원형 DNA의 종류를 달리 해줌으로서, 다양한 종류의 유전자 질병을 위한 치 료제로서 생산이 가능하기 때문에, 광범위한 유전자 치료제로서 역할을 기대할 수 있다.

결론

앞서 소개한 여러 가지의 핵산나노기술에서 볼 수 있듯이, 핵산나노기술은 나노수준에서 구조물을 자 기조립에 의해 조작할 수 있다는 장점을 가지고 있 고, 독성이 없으며 안전하여 다양한 분야에서 사용 되어지고 있다. 특히, 의료분야에서의 사용이 활발하 게 이루어지고 있다. 하지만, 이러한 장점에도 불구

그림 8. RNA 마이크로 스펀지를 이용한 siRNA 전달 [14].

(8)

하고, 핵산나노기술에는 아직 풀어야 할 몇 가지 숙 제들이 남아있다. 핵산은 인체에 존재하는 분해효소 들로 인해 쉽게 분해되며, 그로 인해 구조물이 붕괴 되어 주어진 역할 수행을 제대로 할 수 없게 되는 문 제점을 가지고 있다. 또한, 의료분야로서 사용되기 위해선, 세포막을 쉽게 투과할 수 있는 방법을 찾는 것 역시 필요하다.

이러한 문제점에도 불구하고 핵산을 이용해서 얻 을 수 있는 수많은 장점들 때문에 핵산나노기술을 이용한 연구는 지금도 많은 분야에서 계속되어지고 있다. 더 많은 연구와 기술 개발을 통해, 존재하는 문제점을 해결한다면, 바이오분야를 넘어서 기타 산 업분야까지 핵산나노기술이 활발하게 사용될 것으 로 기대해본다.

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수치

그림 3. ABC 모노머를 이용한 병원균 탐지[8].

참조

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