최근 우리나라 전체가 메르스 여파로 들썩였는데요.

KAIST 연구진이 단백질 효소를 이용해 메르스와 같은 신종 바이러스 병원균 감염 여부를 진단할 수 있는 기술을 개발에 눈길을 끌고 있습니다.

박현규  KAIST 생명화학공학과 교수팀이 개발한 기술은 특정 단백질이나 효소를 인식하는 물질 압타머(Aptamer)를 이용해 다양한 표적 DNA를 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다.

압타머는 표적 물질과 결합할 수 있는 특성을 가진 DNA입니다.

기존 분자 비콘(Molecular beacon) 프로브 기반 유전자 분석은 분석 대상인 표적 DNA가 변경되면 이에 대응하는 새로운 분자 비콘 프로브가 필요하기 때문에 다양한 표적 DNA를 분석하는데 많은 비용이 소요되는 단점이 있었습니다.

이에 박현규 교수팀은 DNA 중합효소와 결합해 활성을 저해시키는 압타머를 고안했는데요.

이를 역으로 이용해 표적 DNA가 존재하는 경우에만 압타머가 DNA 중합효소와 결합하지 않고 활성을 유지할 수 있게 조절하는 기술을 최초로 개발한 것입니다.

표적핵산에 의한 DNA 중합효소 활성 변화를 이용해 표적 핵산을 검출한 모식도표적핵산에 의한 DNA 중합효소 활성 변화를 이용해 표적 핵산을 검출한 모식도

이번에 개발된 기술은 조절된 DNA 중합효소의 활성이 핵산 신장 및 절단 반응을 일으키고,그 결과 형광 프로브(TaqMan probe)의 형광신호 측정이 가능한 것이 핵심인데요.

이를 통해 동일한 형광 프로브를 이용하면서도 다양한 표적 DNA를 민감하게 검출할 수 있는 새로운 유전자 진단 기술 개발이 가능해진 것입니다.

이를 활용하면 표적 DNA의 종류에 따라 새로운 프로브를 사용해야 했던 기존 기술과 달리 동일한 형광 프로브를 이용하기 때문에 다양한 표적핵산을 값싸고 손쉽게 검출할 수 있고요.

기술을 응용하면 여러 다른 병원균의 감염 여부까지 수월하게 파악할 수 있을 것으로 전망됩니다.

이번 연구는 메르스처럼 새로운 병원체에 대한 진단 키트를 용이하게 제작할 수 있어 여러 병원균에 대해 신속히 대응할 수 있고, 향후 유전자 진단 분야에서 새 원천기술로 널리 활용될 것으로 기대됩니다.

한편, 이번 연구결과는 영국왕립화학회가 발행하는 케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical communications) 6월호 후면 표지논문으로 선정됐습니다. 

연  구  개  요

기존의 핵산 기반 검출 기술은 형광 및 소광제 물질이 표지된 U자형의 DNA 프로브인 분자비콘(molecular beacon)에 기반을 두고 있다.

이 기술은 표적 핵산의 존재에 의한 분자비콘의 구조 변화에 따른 형광 신호 생성의 유무를 확인함으로써 이루어진다 . 이 기술은, 핵산의 분리과정 없이 표적 핵산을 신속하게 분석할 수 있기 때문에, 다양한 형태의 분자비콘 기반 핵산 분석 기술 개발에 적용되어 왔다.

하지만, 상기 언급한 분자비콘 기반의 분석 기술은 표적 핵산과 분자비콘이 1:1로 반응하여 형광신호를 발생시키므로, 높은 민감도를 구현하기 힘들다는 단점을 가지고 있다. 또한, 서로 다른 표적 핵산의 분석을 위해 이에 대응하는 새로운 분자비콘이 필요하므로, 다양한 표적 핵산을 분석하는데 많은 비용이 드는 문제점을 지니고 있다.

상기 기술의 문제점을 극복하기 위하여 연구 노력한 결과, 본 연구팀은 다양한 표적 핵산의 검출에 보편적으로 적용될 수 있는 민감도가 우수한 효소 기반 검출 시스템을 개발하였다.

본 기술은 DNA 신장 반응(extension reaction)을 수행하는 핵산 중합효소(DNA polymerase)인 Taq 핵산 중합효소 및 이에 특이적으로 결합하여 활성을 저해시키는 DNA 압터머(DNA aptamer)를 도입하였다.

구체적으로, 표적 핵산의 검출을 위해 DNA 압터머에 표적 핵산을 특이적으로 인식하는 단일가닥 DNA를 포함하도록 디자인하였으며, 이 부분이 표적 핵산과 결합하여 DNA 압터머로부터 떨어져나갈 경우, DNA 압터머는 Taq 핵산 중합효소와 더 이상 결합하지 않게 되고 핵산 중합효소의 활성은 증가하게 된다.

이러한 표적 핵산과 DNA 압터머의 상호작용을 통한 핵산 중합효소의 활성 변화는 TaqMan 프로브(TaqMan probe)에 기반을 둔 프라이머 신장 반응(primer extension reaction)에서 유래하는 형광신호를 통해 실시간으로 분석할 수 있다.

상기 기술은 기존의 핵산 기반 검출 기술과 비교하여 표적 핵산을 인식하는 부분과 이 결과로 유래되는 신호를 검출하는 부분이 따로 분리되어 있기 때문에, 신호를 검출하는 부분의 구성요소인 TaqMan 프로브는 동일하게 유지하며, 표적 핵산을 인식하는 부분의 구성요소인 DNA 압터머의 염기서열만의 변화를 통해 다양한 표적 핵산을 범용적으로 분석할 수 있다. 따라서, 다양한 표적 핵산의 분석에 드는 비용을 매우 절감할 수 있다.

 

 용 어 설 명

압타머
저분자 화합물로부터 단백질까지 다양한 종류의 표적 물질에 대해서 높은 친화성과 특이성을 가지고 결합할 수 있는 작은 단일가닥 DNA

DNA 중합효소
DNA를 복제하여 증폭시키는 역할을 하는 효소

분자 비콘(Molecular beacon)
표적핵산에 상호보완적인 염기서열을 포함하는 헤어핀 구조의 DNA로서, 양 말단에 형광체와 소광체가 각각 달려있다.

TaqMan 프로브
5’ 말단과 3’ 말단에 각각 형광체와 소광체가 달린 짧은 단일가닥 DNA

 

박현규 교수 이력사항

□ 인적사항
○ 소 속 : KAIST 생명화학공학과

□ 학 력
○ KAIST 생명화학공학과 학사 1990
○ KAIST 생명화학공학과 석사 1992
○ KAIST 생명화학공학과 박사 1996

□ 경력사항
○ 1996~2002 삼성종합기술원, 선임연구원
○ 2002~2006 KAIST 생명화학공학과, 조교수
○ 2006~2012 KAIST 생명화학공학과, 부교수
○ 2012~현재 KAIST 생명화학공학과, 교수
○ 2015~2018 KAIST 지정 석좌교수

 

 

 

 

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posted by 이재형 과학이야기