맞춤형 신약의 기반, 고용량 단백질 저장체

금속유기골격구조체는 분자단위에서 같은 물질들이 일정한 규칙과 간격을 가지고 배열돼 생성되는 것이기 때문에, 1g 당 축구장과 같은 크기의 표면적을 가지고 있으며, 고용량의 물질 저장 능력과 빠른 물질 이동특성을 갖고 있습니다.

이는 많은 양의 물질을 내부에 저장할 수 있기 때문에  최근 다양한 종류의 차세대 저장체 연구에 필수 장비로 사용되고 있습니다.

그러나 현재까지 금속유기골격구조체는 7.0Å(100억 분의 1m) 크기의 아주 작은 단분자만을 사용했기 때문에 커다란 크기의 고분자 및 단백질의 저장에는 활용될 수 없었고, 단지 고용량 가스 저장체로서의 가능성만 입증된 상태였습니다.

또한 구조가 내부에서 서로 엇갈려 있어 큰 크기의 단백질을 저장하는 것은 사실상 불가능했습니다.

■ KAIST EEWS대학원 오마르 야기(Omar M. Yaghi)교수팀은 커다란 크기의 기공을 갖는 금속유기골격구조체를 개발해 여러 종류의 단백질을 고용량으로 저장할 수 있는 원천기술을 확보했습니다.

이번에 개발된 기술은 다양한 종류와 크기의 단백질을 저장 할 수 있어 ▲고용량 고집적의 신약 개발 ▲특정 바이러스 분리 물질 개발 ▲인체 내에서 악성 반응을 일으키는 특정 단백질의 선택적 제거 ▲특정 부위에서 작용하는 신약 수용체 개발 ▲희귀 고분자 단백질 영구 보존 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있습니다.

이와 함께 줄기세포를 포한한 모든 인체의 세포까지 선택적으로 분리하고 영구히 저장할 수 있어 난치병 치료나 생명연장을 위한 의학기반 기술 발전에도 큰 도움이 될 전망입니다.

야기(Yaghi) 교수팀은 커다란 크기의 분자들을 이용해 금속유기골격구조체를 만들고, 단백질처럼 아주 큰 물질을 구조체 내부에 일정하게 배열시켜 효율적으로 저장하는 방법을 고안해 세계 최초로 규칙적 분자구조체 내부에 비타민과 미오그로빈(Myoglobin) 같은 단백질을 고용량으로 저장하는데 성공했습니다.

또 5nm 이상의 크기를 가지는 분자체를 이용한 금속유기골격구조체를 개발하고, 금속유기골격구조체의 주기적인 기공을 처음으로 투과전자현미경을 이용해 관찰했습니다.

다른 길이의 분자를 사용하여 합성된 금속유기골격구조체를 보여주는 모식도. IRMOF-74-I 에서 IRMOF-74-XII 로 점점 연결된 벤젠 (benzene)숫자가 늘어나 기공의 크기가 원자단위에서 늘어가고 있다.

이번 연구는 그동안 불가능했던 큰 크기의 단백질 및 고분자들을 규칙적 배열을 가지는 다공성 물질을 개발해 고용량으로 저장하는 원천기술로, 고용량으로 집적된 단백질 약을 원하는 곳에 투여함과 동시에 제거해야 할 분자들을 선택적으로 흡수함으로써 난치병이나 희귀병 치료에 획기적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구는 오마르 야기(Omar M. Yaghi) 교수와 오사무 테라사키(Osamu Terasaki) 교수가 공동으로 수행했습니다.

이번 연구결과는 '사이언스(Science)' 5월호(25일자)에 게재되었습니다.

크기에 따라서 다른 단백질이 저장 되는 것을 보여주는 그래프
각 그래프에서 그래프가 아래쪽으로 내려갈수록 단백질이 많이 저장되었음을 나타내는 것이며, 검은색 그래프는 금속유기골격구조체에 각각의 크기가 다른 단백질이 삽입되었을때의 변화를 나타내는 것이며 빨간색은 대조군이다.
이 그래프에서 확인 할 수 있는 바와 같이 각각의 조절된 다른 크기를 가지는 금속유기골격구조체는 크기가 다른 단백질 분자들을 선택적으로 흡수 할 수 있었다.
이것은 큰 크기의 고분자가 원자단위에서 조절된 기공을 가지는 금속유기골격구조체에 저장됨을 보여주는 첫 번째 사례이다.

 

각각 다른 기공크기를 가지고 합성된 금속유기골격구조체에 다양한 크기의 단백질 및 고분자가 저장 될 수 있음을 역동적으로 나타내는 모식도

 

<보 충 자 료> 지금까지 일정한 방향으로 배열된 큰 기공크기의 금속유기구조체를 만드는 것은 구조의 불안정성과 물질 내부에서 서로 얽히는(interpenetrating) 문제로 인하여 불가능 하다고 여겨져 왔다. 그러나 단백질이나 고분자 같은 거대 분자를 효율적으로 저장하기 위한 노력은 계속 이어져 왔다. 또한 기존의 메조포어를 가지는 물질 (mesoporous silica, porous carbon 등) 같은 경우 원자크기의 영역에서 그 기공의 크기와 구성을 조절하는 것은 불가능 하였다. 그러나 금속유기골격구조체의 경우 화학반응에 의해 모든 결합이나 문자들의 길이가 조절되기 때문에 원자단위의 영역에서 구조를 조정하는 것이 가능 하였다. 이 논문에서는 벤젠(benzene)링의 개수에 따라 길이가 달라지는 (linker)를 사용하여 1개의 벤젠에서부터 최대 12개의 벤젠을 가지는 링커를 합성하고, 그 링커들을 사용하여 금속유기골격구조체를 만듦으로서 10의 마이너스 10승 m 단위에서의 기공 크기 조절이 가능하였다. 또한 기공의 크기가 조절된 유기골격구조체를 사용하여 vitamin-B12(27 Å), MOP-18(34 Å), myoglobin(35-44 Å), green fluorescent protein(45 v)의 크기가 다른 물질을 선택적으로 저장 할 수 있음을 ultraviolet-visible (UV-Vis) spectrophotometry를 이용하여 확인 할 수 있었다.

 

 용 어 설 명

금속유기골격구조체 :
금속과 유기물질을 사용하여 일정하게 배열된 구조를 가지는 골격체

단백질 :
아미노산이 펩타이드 결합을 하여 생긴 여러 개의 아미노산으로 이루어진 고분자 화합물.

다공성 물질 :
물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질.

표면적 :
물질을 구성하고 있는 원자가 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 생성된 겉넓이

메조포어 :
20~500Å 크기를 가지는 미세기공

투과전자현미경 :
고진공 하에서 아주 얇은 시편을 전자 빔을 이용해 원자 단위로 확대하여 볼 수 있는 장비

 

<Omar M. Yaghi 교수> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 공과대학 EEWS대학원 ○ 연락처 : yaghi@kaist.ac.kr 2. 학    력 ○ State University of New York 학사 1984 ○ University of Illinois, Urbana 박사 1990 ○ Harvard University, Postdoctorial Fellow 1992 3. 경력사항 ○ 2010. 3.~현재 KAIST EEWS 대학원 교수 ○ 2012. 1.~현재 University of California, Berkeley 교수 4. 주요연구실적 ○ 2011 세계 인용횟수 2위의 화학자 선정 (Top one quarter of one percent of the most highly cited chemists (ranked number 2 of 6,548)) ○ 2008 AAAS Newcomb Cleveland Prize for most outstanding paper published in Science during 2006-2007 ○ 2007 세계 인용횟수 10위의 화학자 선정 (Top one quarter of one percent of the most highly cited chemists (ranked number 10 of 6,548)) ○ 2007 100 papers with over 100 citations per paper (1997-2007) ○ 2006 Listed among the "Brilliant 10" scientists and engineers 5. 출판 ○ 국외논문 150여편 게재 ○ Science 및 Nature 20편 게재 ○ 22개의 특허 보유

<Osamu Terasaki 교수> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 공과대학 EEWS대학원 ○ 연락처 : 042-350-1711,           2. 학    력 ○ Tohoku University 학사 1965 ○ Tohoku University 석사 1967 ○ Tohoku University 박사 1982 3. 경력사항 ○ 2010. 3.~현재 현재 KAIST EEWS 대학원 교수 ○ 2003. 3.~2011. 9. Stockholm 대학 화학과 교수 ○ 1967. 2.~2003. 2. Tohoku 대학 교수 4. 주요수상경력 ○ 2008 Humboldt Research Award (Alexander von Humboldt Foundation) ○ 2007 The Donal W Breck Award, International Zeolite Association ○ 2001 The Best Paper Award, Japanese Society of Electron Microscopy. 5. 출판 ○ 300 편 이상의 국제 학술 논문 출판 ○ Science 및 Nature 14편 게재 ○ 저서 2권