세포 내 특정 물질을 표적하는 단백질 신약 개발에 응용

▲ 해당 논문의 표지 그림
금 나노입자를 중심으로 DNA가 연결돼 있고 각 DNA에 단백질이 결합된 형태의 나노 구조체가 생체 내 특정 세포 속으로 전달되는 모습을 보여준다.
▲ 나노 구조체 제조 과정 모식도
(a) DNA 설계 및 (b) DNA와 징크 핑거 단백질을 이용한 나노 구조체의 자기조립 과정이다.
▲ 나노 구조체의 현미경 관찰 사진
원자현미경(AFM, 왼쪽)과 투과전자현미경(TEM, 오른쪽)을 통해 핵단백질 나노입자(개발된 나노 구조체)의 형성 구조를 나타낸다.
▲ 나노 구조체의 세포 내 단백질 전달 효과
개발된 나노 구조체(NNPs)에 독성을 나타내는 단백질을 결합해 다양한 암 세포주에 적용한 결과, 표적 세포(특이적 세포 수용체가 과발현된 세포주; A431, HCC827, MD468)에서 세포 독성을 나타낸다.
▲ 폐암 동물에서 나노 구조체의 항암 효과
폐암 동물 모델에서 나노구조체(NNPs)를 처리했을 때, 대조군(vehicle) 또는 세포 표적용 생체분자가 없는 나노구조체(nt-NNPs)에 비해 매우 높은 항 종양 활성을 나타낸다.
세포 내 질병 타겟에 단백질 치료제를 전달하는 기술이 향상됐다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 김학성 교수‧류이슬 박사(KAIST), 이중재 교수(강원대), 강정애 박사(한국원자력연구원) 연구진이 DNA를 기반으로 나노 구조체를 개발해 세포 속으로의 단백질 전달 효율을 높였다고 밝혔다.

단백질 치료제는 저분자 화합물에 비해 반응 부위를 구별해 내는 특이성이 우수해 차세대 의약품으로 활발히 개발되고 있다. 단백질 치료제가 탁월한 효과를 내기 위해서는 치료용 단백질이 세포 내로 효율적으로 전달되는 기술이 선행돼야 한다.

지금까지는 화학적 합성법 등으로 단백질 전달체를 제작해 왔지만 생체 독성, 낮은 전달 효율, 복잡한 제조 공정과 효과가 일관적이지 않은 재현성 등이 해결돼야 할 과제로 남아 있다.

연구팀은 생체 분자인 DNA를 기반으로 나노 구조체를 제작해 생체 친화적이면서 특정 세포로의 높은 전달 효율을 보였다. 특히 다양한 단백질을 전달할 수 있는 범용적인 기술로서 폐암 동물 모델에서도 항암 물질을 전달해 높은 항암 효과를 입증했다.

제조 공정도 복잡하지 않다. 먼저 금 나노입자 표면에 DNA를 부착한다. 그 다음 징크 핑거를 이용해 각 DNA 가닥에 암 세포를 표적하는 생체분자와 항암 단백질을 결합시켜 제작한다.

DNA와 징크 핑거 간의 상호작용을 이용하므로 DNA 서열과 길이를 조절해 나노 구조체에 탑재되는 단백질의 양을 손쉽게 조절할 수 있다.

김학성 교수는 “생체 적합한 소재인 DNA와 단백질의 상호작용을 이용해 세포 내로 단백질을 효율적으로 전달하는 새로운 나노 구조체를 개발한 것”이라며, “세포 내 단백질 치료제의 전달뿐 아니라 동반 진단용으로 광범위하게 활용될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(글로벌연구실, 중견연구, 생애첫연구) 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 12월 28일 표지논문으로 게재됐다.

논문명은 ‘Programed Assembly of Nucleoprotein Nanoparticles Using DNA and Zinc Fingers for Targeted Protein Delivery’이고, 저자는 류이슬(KAIST, 제1저자), 강정애(한국원자력연구원, 제1저자), 김다솜(KAIST), 김송래(KBSI), 김성민(강원대), 박승지(강원대), 권승해(KBSI), 김길남(KBSI), 이동은(한국원자력연구원), 이중재(강원대, 교신저자), 김학성(KAIST, 교신저자) 등이다.

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