심상준 교수팀, 유전자 발현과정 실시간분석 기술 개발

이산화탄소 전환 미세조류의 유전자 선별이 가능한 나노원천기술 개발

어드밴스드머티리얼지 표지 논문으로 게재

▲ 공과대학 화공생병공학과 심상준 교수

화공생명공학과 심상준 교수팀이 (재)한국이산화탄소포집및처리연구개발센터(센터장 박상도)의 지원으로 생명체 유전자 발현 과정의 실시간 분석이 가능한 나노원천기술을 개발했다.

최근 전 세계적으로 기후변화 대응을 위한 현실적 대안으로 이산화탄소를 포집하여 저장?전환하는 CCS(Carbon Capture and sequestration)기술의 중요성이 부각되고 있다.

CCS기술 중 생물학적 전환기술 분야는 유전자 조작이나 균주 선별 등 형질이 개선된 미생물을 이용하여 이산화탄소를 바이오 디젤 등과 같은 유용물질로 전환하는 기술이다. 최적의 이산화탄소 전환 균주개발을 위해서는 변형된 유전자를 빠른 속도로 스크리닝 하는 것이 중요한데 그동안 유전자 스크리닝에 너무 많은 노동력과 시간이 소요되어 동 기술의 걸림돌이 돼왔다.

심상준 교수팀은 빛의 산란과 전자의 플라즈몬 공명현상을 기반으로 생명체의 유전자 발현 과정을 나노 수준에서 실시간으로 분석하는데 성공했다. 연구팀은 20나노미터 크기의 금나노 입자에 여러 가지 변형된 유전자를 결합시킨 후 빛을 투과하여 산란 스펙트럼을 분석한 결과 단백질과 유전자 간의 미세한 상호 작용을 검지할 수 있었다. 또한, 동일한 금 나노입자의 표면에서 전자가 떨리는 현상(플라즈몬 공명현상)을 미세하게 분석함으로써, 유전자와 단백질간의 선택적인 친화성을 실시간으로 분석했다.

이 기술을 세포 내 RNA를 합성하는 효소(RNA polymerase)에 적용할 경우, 유전자의 변이 여부를 나노 수준에서 정확히 식별할 수 있어 유전자 변이 진단 기술로서 활용이 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다. 특히, 해당 기술을 이산화탄소 전환을 위한 균주 개량에 응용할 경우 신속하고 정확한 유전자 스크리닝을 통해 미세조류를 이용한 이산화탄소 전환 기술 개발 주기를 혁신적으로 단축할 것으로 기대된다.

(재)한국이산화탄소포집및처리연구개발센터 측은 이번에 개발된 분석시스템은 세포 내의 특정한 생체반응을 실시간으로 정량화하고 모니터링할 수 있어 이산화탄소의 생물학적 전환분야 뿐만 아니라 질병의 조기 진단 등 다양한 분야에 적용이 가능하다고 기대했다.

연구결과는 재료분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼지(Advanced Materials)’ (IF=13.88)에 표지 논문(Front Cover Story) 3월 6일자에 게재됐으며 논문명은 ‘ Real Time, Sensitive, and Specific Detection of Promoter-Polymerase Interactions in Gene Transcription Using a Nanoplasmonic Sensor)’이다.

< 용 어 설 명 >

* 금 나노입자 (Gold nanoparticle)

일반적으로 황금색을 띄는 금은 나노미터(nm) 크기의 입자 상태에서 특징적인 물리, 화학, 광학적 성질을 보인다. 예를 들면, 20 nm이하가 되면 적색으로 변하며 크기가 커질수록 점차 푸른색으로 변한다. 이러한 금나노입자는 크기가 작아서 신호가 작으므로 섞여 있는 잡음을 제거할 수 있는 고감도의 감지기가 필요하다.

* 플라즈몬 공명 (Plasmon Resonance)

표면 즐라즈몬은 입사광에 의하여 금속표면과 유전체 사이 경계면에서 발생하는 전하밀도의 진동상태를 말한다. 나노미터 크기의 금속입자 표면에서 발생한 국소표면 플라즈몬(Localized surface plasmon resonance)은 시료의 흡착 정도와 양를 측정하는 바이오센서 원리로 이용되고 있다.

* 레일리 산란 (Rayleigh Scattering)

입사광이 파장의 1/20정도 작은 입자와 진동에너지를 주고 받은 결과, 방사되는 산란광의 파장이 변하면 라만(Laman) 산란, 불변하면 레일리 산란이라고 한다. 이때, 입자가 유도된 전기장(쌍극자모멘트)의 진동으로 들뜬상태로 된 후 다시 환원될 때, 입사광 파장의 4제곱에 반비례하는 강도의 2차적 산란광이 방사된다.

* RNA 중합효소 (RNA polymerase)

DNA에 존재하는 정보를 RNA로 전환하는 과정(전사, transcription)에서, DNA를 주형으로 하여 이와 상보적인 RNA를 합성하는 효소를 말한다. 전사과정의 첫 번째 단계는 개시 과정으로 전사가 일어날 수 있는 준비가 완료되기까지의 과정을 말한다. RNA 중합효소가 DNA에 존재하는 프로모터(promoter)에 결합하여 합성을 시작할 준비를 마치는 단계이다.

* 이산화탄소 포집·처리 (CCS, Carbon Dioxide Capture and Sequestration)

이산화탄소 포집·처리기술은 화석연료 사용으로 인해 발전소, 철강, 시멘트 공장 등 대량발생원으로부터 이산화탄소를 포집한 후 압축 및 수송하는 과정을 거쳐 육상 또는 해양지중에 안전하게 저장하거나 유용물질로 전환하는 일련의 과정을 뜻한다. 이산화탄소를 직접 효율적으로 줄일 수 있는 기술인 CCS는 포집기술, 수송기술, 저장기술, 그리고 전환기술로 크게 네 가지로 나누어진다.

< 그 림 설 명 >

그림 1. 어드밴스드 머티리얼스 3월 6일자 표지 그림

-금나노입자 위에서 일어나는 레일리 산란을 이용하면 RNA 중합효소(청색)와 프러모터 유전자(자색) 간의 상호작용을 모니터링할 수 있다. 더 나아가 점 돌연변이된 프러모터 유전자를 RNA 중합효소가 특이적으로 인식하는 현상을 쉽게 관찰할 수 있다. 이러한 기술은 단일한 금나노입자의 광학적 성질을 기반으로 하여 유전자 전사활성을 실시간으로 민감하게 분석하려는 최초의 시도이다. 그림은 표면의 단백질(파란색 입자) 결합정도에 비례하여 다른 색깔의 빛 산란을 보여주는 현상(빨간색, 분홍색, 연두색)을 표현한 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials) 표지 그림이다.

그림 2(좌). 생체물질들의 결합에 따른 단일 금 나노입자의 LSPR 빛 산란 스펙트럼.

         (우). 유전자 중 단일 염기의 변이로 인해 RNA 중합효소의 결합률이 변화된 것을 비교한 그래프.

- 생체물질들의 결합에 따른 단일 금 나노입자의 LSPR 빛 산란 스펙트럼이 점차 장파장 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다

그림 3 (좌). 광 산란 스펙트럼을 통해 DNA(Promoter)와 단백질(RNA 중합효소) 사이의 결합과정.

        (우). 유전자 중 단일 염기 변이에 따른 Promoter의 활성을 비교 분석한 그래프.

-입사광의 산란 스펙트럼 분석을 통해 DNA(Promoter)와 단백질(RNA 중합효소) 사이의 결합과정을 실시간으로 모니터링

  할 수 있다.

그림 4. 광학측정장치를 이용한 금 나노입자의 유전자 발현 측정 모식도.