우리 학교 신소재공학과 장재범 교수 연구팀이 지난달 10일 특정 단백질을 이미징할 때 활용하는 항원-항체 반응을 적용하여, 다세포 생물이 가지는 특정 단백질 구조체를 활용할 수 있는 신개념 생체 형틀법을 최초로 개발했다고 밝혔다.

생명의 복잡성을 활용한 생체 형틀법

 특정 기능에 최적화된 생명체가 가지는 복잡하고 정교한 구조체를 형틀로 활용하여 해당 구조를 모방한 무기물 구조체를 만들면 다양한 분야에 높은 활용성을 지니는 구조를 제작할 수 있다. 그러나, 생명체가 가지는 기능 최적화 형태의 다양한 구조체들은 복잡하고 계층적인 구조를 기반으로 하고 있어 인공적인 합성으로는 재현이 힘들다. 이를 해결하기 위해 생체 구조체 자체를 형틀로 하여 동일한 형태의 무기물 구조체를 합성하는 방식인 생체 형틀법이 개발되었다. 현재, 생체 형틀법은 주로 에너지, 광학, 마이크로 로봇 분야 등에서 주로 활용되고 있다.

항원-항체 반응 적용 생체 형틀법 

 그러나, 기존의 생체 형틀법은 특정 단백질 구조체를 형틀로 사용한 경우가 적을 뿐만 아니라 사용한 경우도 대개 효모 등의 단세포 생물이나 바이러스가 지닌 특정 단백질 구조체를 형틀로 활용하는 선에서 그쳤다. 연구팀은 이러한 기존 생체 형틀법의 활용 한계를 해결하면 합성하고자 하는 생체 재료의 목적에 따라 원하는 생체 구조체만을 적절히 활용할 수 있게 됨에 주목했다.

 연구팀은 생체 형틀법에 특정 단백질을 이미징하는 경우 사용하는 항원-항체 반응을 접목하여, 기존 생체 형틀법이 지니는 활용의 한계를 해결할 수 있음을 입증했다. 

 우선, 면역염색법*을 기반으로 한 방식을 사용했다. 일차 항체를 표적화하고 싶은 단백질을 항원으로 인지시켜 결합하게 만들고, 표지된 일차 항체를 항원으로 인지시켜 이차 항체를 결합시키는 방식을 이용한다. 이 때, 이차 항체에는 형광물질과 나노 금입자가 붙어 있어 앞서 표지한 특정 단백질의 구조에 따라 형광물질과 나노 금입자가 배열된다. 이렇게 배열된 형광물질을 형광 현미경으로 관찰하면, 표적화한 단백질 구조체의 모양 및 항체의 표적화가 적절히 이루어졌는지 확인할 수 있다.

 이후 항체로 염색된 세포 및 조직에서 무전해도금을 통한 금속 입자의 성장을 진행시킨다. 이 과정에서 앞서 이차 항체에 붙어 있는 나노 금입자가 금속 입자 성장이 일어나는 종자 역할을 맡게 되어, 결과적으로는 표적화 상태의 단백질 구조체를 따라 금속 입자들이 성장하게 된다. 

신개념 생체 형틀법의 응용 가능성

 본 연구에서 새로이 개발해낸 생체 형틀법을 이용하면, 기존 생체 형틀법에서 주로 사용하던 단세포 생물의 특정 단백질 구조체를 뛰어넘어 다세포 생물이 지닌 특정 단백질 구조체를 생체 형틀로 사용할 수 있다. 따라서 이전보다 훨씬 다양한 생체 재료를 만들 수 있다. 간단한 예시로, 뼈 구조체 내부의 단백질을 모방한 금속 구조체를 만들어 기계적 특성이 우수한 소재를 얻거나, 다공성 구조체를 모방하여 비표면적이 높은 금속 구조체를 합성하는 것 등이 가능하다.

항원-항체 반응 적용 생체 형틀법

 이번 연구에 송대현 박사과정생과 함께 제1 저자로 참여한 송창우 박사과정생은 ‘생체 형틀법’과 ‘항원-항체 반응’이라는 서로 다른 개념을 융합한 발상이 새로운 컨셉의 연구를 진행하는 원동력이 되었음을 언급하며, 다른 학우들에게 “다양한 분야의 공부를 통해 넓은 시야를 지니고, 같은 현상이라도 색다른 관점으로 다가갈 수 있는 학생이 되길 바란다.”고 전했다.