DNA와 단백질로 만들어진 맞춤형 나노와이어

이성용 기자 | 기사입력 2015/09/09 [12:31]

DNA와 단백질로 만들어진 맞춤형 나노와이어

이성용 기자 | 입력 : 2015/09/09 [12:31]

▲ 그림설명: 단백질과 –DNA로 연결된 나노와이어는 컴퓨터 프로그램을 통해서 길게 연결되고 그 특성이 조절될 수 있다.     ©특허뉴스

단백질과 DNA와 같은 생물학적 재료를 설계하는 일은 이전에 상상하지 못했던 새로운 기술적 가능성을 여는 계기가 될 수 있다. 예를 들어 DNA로 만들어진 합성 구조체는 종양에 직접적으로 약물을 전달하는 매개체로 사용될 수 있다. 맞춤형으로 설계된 단백질은 바이러스와 같은 특정한 종류를 공격하는 데에 활용될 수 있다. 이번에 칼텍 연구진은 단백질과 DNA의 구조를 설계하는 새로운 연구결과를 발표했다. 이번 연구결과는 저널 Nature에 소개되었다.
여러 물질을 합성하여 만든 소재는 여러 가지 기능성을 가진 새로운 소재가 될 수 있다. 예를 들어 단백질은 매우 많은 기능성을 가지고 있다. 이러한 단백질을 가지고 여러 가지 문제를 제거하거나 또한 기능을 발휘할 수 있는 새로운 소재를 만들 수 있다. 단백질과 단백질 사이의 상호 작용은 효소와 같이 빠른 반응으로 변화될 수 있다. 또한 DNA는 그 크기와 모양에 따라 여러 가지 나노구조체로 설계될 수 있고 여러 가지 기능을 프로그램화할 수 있다는 특성을 가지고 있다.
단백질-DNA 나노와이어를 이용하여 어떻게 기존에 없었던 새로운 물질을 만들 수 있을까? 칼텍 생물화학과 Stephen Mayo 교수가 이끄는 연구진은 이와 같은 질문에 DNA와 단백질을 이용하여 새로운 하이브리드 물질을 개발하는데 컴퓨터 프로그램을 이용하였다. 연구진은 여러 번 시행착오 과정을 통해서 구조적으로 더 효율적이고 더 나은 결과를 얻을 수 있었다. 연구진은 단백질-DNA 나노와이어 특성을 컴퓨터 프로그래밍하여 그 특성을 조절하는 연구를 진행했다. 여러 개의 단백질의 빌딩블록과 같은 아미노산이 연결되는 과정을 프로그램하였다. 또한 DNA 빌딩블록과 같은 염기 배열체를 만들었다.
그러나 하이브리드 물질을 성공적으로 만드는 것은 단순히 컴퓨터 프로그램처럼 여러 연결체를 연결하는 것과 같이 단순한 것은 아니었다. 연구진은 컴퓨터 모델이 시퀀스를 만들어내지만 그 모델을 검색하고 그 시퀀스의 특성을 측정하고 예측하고 의미를 가지게 하기 위해서는 여러 가지 잘못된 결과를 수정하고 새로운 값을 계속하여 주입해야 하는 과정이 필요하다고 설명했다. 최종적으로 연구진은 컴퓨터와 그 사용자가 모두 동의하는 수준의 시퀀스를 구하는 것이 중요하다고 설명했다. 연구진을 이러한 과정을 거쳐서 DNA와 단백질을 이용하여 나노와이어 구조체를 설계했다.
이번에 만들어진 시퀀스는 자연에서 만들어진 단백질-DNA 조합의 인공적인 버전이다. 최초의 유전자 발현과정은 전사(transcription)라고 불린다. DNA의 시퀀스는 처음 RNA로 변환된다. 여기에 효소적인 요소를 추출하고 DNA를 전사 인자로 불리는 단백질과 RNA로 전사시킨다. 이렇게 되어 특정한 영역에 단백질 빌딩 도메인이라는 DNA 결합영역이 형성된다.
컴퓨터 프로그램을 이용하여 연구진은 단백질 결합 도메인을 가지는 여러 DNA 시퀀스를 만들었다. 그 다음 특정한 결합 영역에서 자연적으로 결합되는 전사 인자를 추출했다. 그러나 이렇게 추출된 분절발생인자는 연속적으로 길게 연결하기 위해서는 전사 인자를 비롯하여 길게 연결되는 단백질의 각 영역을 개조하는 과정이 필요하다.
연구진은 1997년에 최초로 이와 같은 개념을 이용하여 인공단백질이라는 불리는 결과를 내어놓았다. 연구진은 이번에 이러한 단백질의 기능성과 특성을 개선하기 위해서 컴퓨터 프로그램을 이용하였다. 이번 연구결과는 특정 종양세포를 공격하고 치료하는 치료용 단백질을 개발하는 등 여러 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 저널 Nature에 “Computational design of co-assembling protein-DNA nanowires”라는 제목으로 게재되었다.(DOI: 10.1038/nature14874) <출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
 
 
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