mecㆍviewer v1.4 :: (업로드) 고부가 의약품 소재 생산에서 맞춤형 저장까지... ‘비스포크(BESPOKE) 인공세포 소기관’ 개발

			보도자료
배포일	2022년 8월 16일(화)			엠바고	온라인 : 2022년 8월 16일(화) 12:00 지 면 : 2022년 8월 17일(수) 조간
문 의	연구부서	정밀바이오화학연구본부 바이오화학연구센터 이주영 책임연구원(010-2257-8401)
	홍보부서	과학확산실 양경욱 실장(042-860-7998, 010-5564-1700) 과학확산실 김도균 선임행정원(042-860-7826, 010-2594-5342)

고부가 의약품 소재 생산에서 맞춤형 저장까지... ‘비스포크(BESPOKE) 인공세포 소기관’ 개발

- 분자 모델링 기반 합성생물학 기술을 통해 30배 향상된 인공세포 저장 능력의 명품 세포 소기관 구현 - 세계적 권위 학술지인 ‘Nature communications’ 6월호 논문 게재

□ 생명 시스템을 재설계하여 새롭게 제작하는 합성생물학 기술이 전 세계적으로 바이오 기술패권의 핵심 게임체인저로 자리매김하고 있는 가운데, 국내 연구진이 살아있는 미생물 세포로 고부가가치 의약품 소재의 고효율 생산에서부터 소재 맞춤형 저장까지 올인원(all-in-one) 공정이 가능한 ‘비스포크(BESPOKE) 인공세포 소기관’을 새롭게 개발하였다.

◯ 한국화학연구원(원장 이미혜) 이주영 박사, 포스텍 오승수·손창윤 교수 공동 연구팀은 최근 발표된 연구에서 바이오 전 분야에 활용할 수 있는 고부가가치 의약품 소재 생산 및 고집적 저장을 위해 인공 ‘지질방울 소기관(lipid droplet organelle)’*을 성공적으로 개발하였다.

* 지질방울 소기관: 세포 안에서 과잉 생산되는 지방의 축적·저장 기관

◯ 본 성과는 데이터 과학과 컴퓨터 모델링을 접목한 합성생물학의 대표적 성공 사례로, 살아있는 미생물 세포의 디자인과 재설계를 통해 의약품, 헬스케어 소재 등 바이오·의약 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.

□ 기존 바이오 분야 연구의 취약점인 생명현상의 복잡성과 다양성에 의한 불확실성(비예측성), 기술개발 소요 기간, 그에 따른 막대한 비용 등의 문제를 극복하기 위해 ‘예측가능한 고성능 세포 시스템’을 디자인하고 제작할 수 있는 합성생물학 기술 개발이 필요하였다.

◯ 이에 따라, 화학연-포스텍 공동 연구팀은 분자 거동을 정밀 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 과정을 통해 ▲맞춤형 인공 세포를 활용한 고부가 가치 의약품 소재 생산의 가능성을 제시하였고, ▲실제 미생물 세포를 인공적으로 디자인하고 재설계하였다.

◯ 그 결과 인공 미생물 세포가 생산하는 ‘스쿠알렌’, ‘지아잔틴’ 등 바이오 의약품 소재 및 헬스케어 소재의 고집적 저장에 최적화된 ‘지질방울 소기관’을 성공적으로 개발하였다.

※ 지용성 분자의 지질방울 소기관으로 저장 기작 규명

▲지질방울 소기관에 지용성 분자가 선택적으로 저장되는 결정 요인은 지용성 분자의 형태(‘유연-웜형(flexible-worm)’ 및 ‘강성-막대형(rigid-rod)’)에 기인함.

□ 본 연구에 의하면 지방 및 지질 등의 지용성 분자는 구조적 특성에 따라 크게 두 가지 형태*로 분류된다. 연구팀은 이러한 지용성 분자와 세포 내 지질방울 소기관과의 물리화학적 상호작용과 세포 내 움직임을 컴퓨터 기반 분자 시뮬레이션으로 계산하고 그 구조적 특성에 따르는 독특한 저장 메커니즘을 새롭게 밝혔다.

* 유연-웜형(flexible-worm) 및 강성-막대형(rigid-rod)

◯ 구체적으로, 지용성 분자는 기름 방울 속에 잘 녹아들어간다는 일반적 인식과는 달리, 소수성* 결합을 통해 ‘지질방울 소기관’ 표면과 1차적으로 상호작용하더라도, 지용성 분자의 형태적 다변성에 따라 지질방울 내부로 침투 여부가 결정될 수 있음을 세계 최초로 규명하였다.

* 소수성(hydrophobic) : 기름과의 친화력이 높은 성질.

◯ 지용성 분자의 구조적 저장 메커니즘을 적극적으로 활용하고자, 미생물 세포 내 지질방울 소기관 생성 기작을 인공적으로 리모델링 하였다. ▲유연-웜형 분자용 소기관 내부 크기를 극대화하고, ▲강성-막대형 분자용 소기관 표면적을 극대화한 소기관을 각각 개발하여 맞춤형 인공 미생물 세포를 생산하였다.

◯ 지용성 분자는 정상 세포 내에 과잉 축적되면 세포막을 녹이는 독성을 유발하여 세포 생성과 성장을 저해한다. 따라서 지용성 분자를 지질 방울 안에 저장시키면 세포 독성을 줄여 세포의 생존력을 높일 수 있게 되는 것이다.

◯ 이러한 맞춤형 저장이 가능한 ‘지질방울 소기관’ 기술로 인공세포 저장 능력을 30배 이상 향상시켜, 세포가 안전하게 살 수 있는 환경을 제공할 수 있다. 이 기술을 통해 의료용 지용성 분자 생산에 최적화된 차세대 인공 미생물 세포 개발 기술로 활용이 가능할 것으로 전망한다.

◯ 화학연 이주영 박사는 “바이오 대전환 시대를 맞아 살아있는 세포를 산업적 니즈에 맞게 맞춤형으로 디자인하고 인공적으로 개발할 수 있는 합성생물학 기술 확보를 통해 대한민국이 글로벌 기술패권시대에 과학기술 주권 국가 역할을 할 수 있기를 희망한다.”라고 말했다.

◯ 이번 연구결과는 세계적 권위 학술지인 ‘Nature communications (IF : 17.694)’ 6월호 논문으로 게재되었다.

◯ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 과학기술정보통신부 석유대체 친환경 화학기술개발사업으로 수행하였다.

연 구 결 과 문 답

최근 합성생물학 보도자료와의 다른점		- (최근 보도기술) 세포 내에 축적되는 바이오원료를 선택적으로 세포 밖으로 분비할 수 있는 세계 최초/최고 수준의 합성생물학 기술 (본 보도기술) 컴퓨터 모델링을 기반으로, 살아있는 세포의 세포 소기관을 인공적으로 새롭게 디자인-재설계한 기술로서, 데이터 과학을 융합한 새로운 유형의 합성생물학 기술임.

이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)		- 차세대 바이오 분야의 핵심 기술인 미생물 세포공장 기술의 원천기술로써 ①컴퓨터를 이용한 분자 모델링으로 고부가 가치 생산물의 맞춤형 인공 세포공장 청사진을 제시하고, ②시뮬레이션 학습을 통한 실제 미생물 세포공장을 구현하여 생산물 고집적 저장에 최적화된 ‘비스포크 세포 소기관’을 개발 컴퓨터 기반 지용성 분자 모델링의 청사진으로 활용하여, 실제 미생물 세포에서 생산되는 고부가 가치 생산물에 따라 지질방울 소기관 표면 또는 내부로 선택적 고집적 저장 가능함

어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)		- 합성생물학 기반 맞춤형 미생물 샤시 및 세포공장 개발 - 바이오산업 전 분야의 헬스케어, 의약품, 뷰티/헬스 등 고부가·고지용성 바이오소재의 친환경 고효율 생산 시스템 - 지용성 분자와 세포 소기관 간 상호작용과 거동 기작 규명은 향후 다양한 고지용성 약물의 세포 내 투과·전달을 위한 가이드라인 제시 가능

실용화를 위한 과제는?		- 산업 규모의 대량생산 및 생산성 검증을 위한 스케일업 기술 연구 - 격상 규모에서의 통합공정 운전 및 메뉴얼 확보 - 실용화를 위한 핵심 응용 분야 설정, 맞춤형 집중 연구 및 바이오 관련 기업 참여가 필요

실용화 가능 시기는?		- 전 세계적으로 관련 연구에 대한 원천기술 개발 니즈는 급증하고 있으나 아직 초기 단계로, 본 연구성과를 기반으로 고부가 바이오소재 분야 국내 기업과의 협업을 통해 실용화를 위한 핵심기술 개발을 가속화 할 수 있을 것으로 전망

산업적, 경제적 파급효과는?		현재 글로벌 합성생물학 시장규모는 ’22년 $13.9 Billion으로, ’28년~’30년 연평균 성장률 28% 수준으로 높은 성장이 예측됨. 본 기술은 바이오산업의 미래성장동력인 합성생물학 기반 미생물 세포공장 원천기술로써, 글로벌 바이오산업에 범용적으로 활용 가능 - 또한, 미생물 세포공장 및 공정 기술은 포스트 코로나 시대 바이오소재 분야 유망기술로 도출되어 반드시 극복 및 선제 확보해야 할 기술로 산업적/경제적 파급력이 높음. * 출처: 글로벌 바이오산업 시장현황 및 전망(생명공학정책 연구센터 2020)

연구 관련 이미지 및 사진

□ 논문 내용(‘Nature communications’(IF : 17.694) 6월호)

- 논문명(영) : Chain flexibility of medicinal lipids determines their selective partitioning into lipid droplets

- 논문명(국) : 의료용 지용성 분자의 형태(구조)적 다변성에 따라 지질방울 소기관 내부로 침투와 거동이 결정된다.

□ 고부가 의약품 소재의 생산-맞춤형 저장이 가능한 미생물 세포

▲살아있는 세포의 소기관을 인공적으로 새롭게 디자인-재설계하여, 고부가 의약품 소재를 지질방울 소기관의 표면 또는 내부로 선택하여 고집적 저장시킬 수 있는 미생물 세포 개발

□ 신개념 BESPOKE 인공 지질방울 소기관 디자인-재설계

▲지질방울 소기관 생성(biogenesis) 기작을 인공적으로 리모델링하여 유연-웜형 분자용 소기관 내부 크기를 극대화(왼쪽) 또는 강성-막대형 분자용 소기관 표면적을 극대화(오른쪽)시킨 소기관을 각각 개발하여 고부가 가치 의약품 소재 맞춤형 인공 미생물 세포를 제작함.

□ 지용성 분자 스쿠알렌과 지아잔틴의 지질방울 소기관으로 저장 기작

(ns : 나노초)

▲유연-웜형 지용성 분자인 스쿠알렌은 형태를 유연하게 변화시킬 수 있어 지질방울 소기관 내부로 쉽게 침투하여 저장된다.

▲반대로 강성-막대형 지용성 분자인 지아잔틴은 형태의 변화가 자유롭지 못하고 단단하여 지질방울 소기관 내부로 이동하지 못하고 표면에 저장된다.

□ 동영상 자료

[동영상1] 지용성 분자 스쿠알렌의 지질방울 소기관 내부 침투·저장 기작

▲ 형태가 유연하게 변화하는 웜형의 지용성 분자인 ‘스쿠알렌’은 중성지방으로 밀집된 지질방울 내부로 쉽게 침투한다.

[동영상2] 지용성 분자 지아잔틴의 지질방울 소기관 표면 저장 기작

▲ 형태가 단단하게 유지되는 막대형의 지용성 분자인 ‘지아잔틴’은 지질방울 소기관 내부로 이동하지 못하고 표면에 축적된다.

□ 화학연-포스텍 공동 연구팀

▲좌로부터 화학연 이주영 박사, 포스텍 오승수 교수, 포스텍 손창윤 교수, 화학연 손소희 학생연구원