스마트 액적 바이오칩 글로벌연구실
2010-06-03
장수익(ID: sichang1)
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1. 핵심 기술 및 연구 분야
본 연구실이 가지고 있는 핵심 기술은 단백질 마이크로/나노어레이기술, BIAcore 및 형광편광측정을 이용하여 분자간의 상호작용을 실시간으로 조사하는 기술, 그리고 Stopped-flow를 사용하는 고속반응속도측정 기술 등이 있다.
본 연구실의 핵심 연구분야는 신생혈관형성(Angiogenesis), 신생혈관형성유도인자 엔지오제닌의 작용기작, 암신생혈관을 타켓으로 하는 항암제 스크리닝, 치료용 항체 및 유전자 치료법 개발, 바이오물질의 대량생산 등이 있다.
2. 주요 연구 내용
1) 신생혈관형성 유도인자 엔지오제닌 (Angiogenin)의 작용기작 연구
신생혈관형성(Angiogenesis)은 기존의 혈관으로부터 새로운 혈관이 유도 형성되는 과정을 의미한다. 신생혈관형성은 정상적 생리현상인 배 발생, 상처회복, 면역반응, 생식 등에서 일어나고 있지만, 암과 같은 비정상적 병리학적 현상에서도 일어나고 있다. 암의 신생혈관형성(Tumor Angiogenesis)은 암의 성장과 전이에 필수적이다. 왜나하면, 신생혈관은 암의 이동 통로가 될 뿐만 아니라, 암세포가 영양분의 공급과 노폐물을 배출을 위해 필요하기 때문이다.
엔지오제닌 (Angiogenin)은 신생혈관형성유도인자로서, 1985년 하버드 의과대학의 Vallee박사 연구실에서 세계 최초로 발견되었다. 지금까지 엔지오제닌과 암과의 연관성 등 여러 병리학적 연구 결과가 많이 보고되었지만, 아직까지 정확한 작용 기작이 규명되지 않고 있다. 본 연구실에서는 1) 엔지오제닌의 수용체 (receptor)의 규명, 2) 엔지오제닌의 핵 내 이동 기작 규명, 3) 엔지오제닌의 핵 내 이동에 관련된 단백질과 핵 속에서 직접 결합하는 단백질의 규명, 4) 엔지오제닌의 신호전이 경로의 규명 등과 같은 작용기작 (Mechanism of action) 연구를 수행하고 있다.
한편, 엔지오제닌은 면역 효과, 항박테리아 효과, 항 AIDS 효과, 미백 효과, 발모 효과, 영향 효과 등과 같은 다른 생리학적 활성을 가진다는 여러 연구 결과가 보고되고 있다. 이에 본 연구실에서는 엔지오제닌을 다양한 생리학적 분야에 응용할 수 있도록 대량 생산 (Mass production) 연구를 수행하고 있다.
한편, 엔지오제닌은 면역 효과, 항박테리아 효과, 항 AIDS 효과, 미백 효과, 발모 효과, 영향 효과 등과 같은 다른 생리학적 활성을 가진다는 여러 연구 결과가 보고되고 있다. 이에 본 연구실에서는 엔지오제닌을 다양한 생리학적 분야에 응용할 수 있도록 대량 생산 (Mass production) 연구를 수행하고 있다.
2) 초고속 스크리닝용 단백질 칩 시스템을 이용한 신약 탐색 방법 연구
현재 신약개발에 있어서 중요한 사항은 후보물질들을 빠른 시간 안에 도출하는 것이다. 단백질 칩 시스템은 빠른 시간 안에 다양한 종류의 샘플들을 확인할 수 있는 기술로서, 초고속 신약 후보물질 스크리닝에 활용할 수 있다.
본 연구실에서는 초고속 스크리닝용 단백질 칩 시스템 (High-throughput screening system using protein chip system)을 이용하여 다양한 신약 탐색 연구를 진행하고 있다. 한 예로, 단백질-단백질간의 상호작용을 타겟으로 하는 신약 탐색 연구를 현재 수행하고 있다. 최근, 호서대 강인철교수 연구팀과 함께 인테그린/피브로넥틴 간의 상호작용을 타겟으로 하는 연구를 수행하였다. 이의 결과, 펩타이드 라이브러리로부터 인테그린/피브로넥틴 간의 상호작용을 억제하는 펩타이드를 스크리닝 하였고, 도출한 펩타이드가 신생혈관형성을 억제하는 활성을 가짐을 확인하였다.
3) 액적기반 미세유체 시스템을 이용한 다양한 생물학적 시스템 및 분야 연구
미세유체 시스템 (Microfluidics)은 Proteomics, 진단, 신약도출, DNA/Protein 분석, 화합물 합성 등의 다양한 분야에서 활용될 수 있고, ‘극미량의 시료를 사용하면서, 초고속 분석을 할 수 있는’ 장점을 가진 기술이다.
본 연구실에서는 신개념의 액적기반 마이크로플루이딕스 (Droplet-based microfluidics) 플랫폼 기술을 개발하고 있으며, 이 기술은 향후 신약탐색, 현장 질병진단 및 관리, 개인맞춤의약품 개발 등의 다양한 보건 의료 및 생명과학분야 연구에 활용될 것으로 기대된다.
세포에서 일어나는 거의 대부분의 생명현상은 단백질의 작용에 의하여 일어나며 단백질들의 합성, 분해 및 활성 조절은 다른 여러 단백질들 간의 상호작용을 통하여 이루어진다. 따라서 생명현상을 총체적으로 이해하기 위해서는 단백질들 간의 상호작용을 이해할 필요가 있다. 이를 위해서는 단백질 간의 상호 결합을 매우 높은 효율로 찾아내거나 검증할 수 있는 시스템이 필요하다. 본 연구실에서는 액적기반 마이크로플루이딕스 기술을 이용하여 단백질-단백질 상호작용을 세계 최초로 연구하였다. 이의 결과는 국제저널인 ChemBioChem의 표지 논문(2009)으로 게재되었다.
3. 연구관련 기기
본 실험실에서 보유하고 있는 연구 기기는 Panvera사의 Beacon Fluorescence Polarization System(FP System), Bio-Logics사의 Stopped-flow, Proteogen사의 microarray, GenePix 사의 형광 스캐너, PSI사의 Atomic Force Microscopy (AFM)등이 있다.
Beacon Fluorescence Polarization System(FP System) 기기는 형광 편광을 이용하여 단백질-단백질간의 상호작용을 확인하는 것으로, 측정할 수 있는 단백질의 농도가 fM까지 가능하다. 또한 수용액상에서 일어나는 단백질 간 상호작용을 측정하기 때문에 실제 일어나는 단백질간의 결합과 비슷한 반응을 볼 수 있다는 장점도 있다. 또한 단백질-단백질 결합뿐만 아니라 효소 반응과 결합 반응 속도도 측정할 수 있다.
Stopped-flow 기기는 단백질-단백질, 효소-기질 등의 반응이 매우 빠른 속도로 일어날 때 이들 간의 상호작용을 측정할 수 있다. 특히, 해리상수가 매우 낮은 반응의 경우, Beacon Fluorescence Polarization System(FP System)으로는 이들 분자간의 상호작용을 측정하기가 어렵기 때문에 Stopped-flow 기기를 사용하여야만 한다.
이외에 Proteogen사의 Proteochip이라는 단백질 칩 링커 슬라이드와 microarray를 이용하여 마이크로수준에서 단백질을 스팟팅 할 수 있고, 형광 스캐너를 이용하여 단백질-단백질 결합을 확인 할 수 있다.
Atomic Force Microscopy (AFM)을 이용하면 나노수준에서 단백질-단백질 상호작용을 연구할 수 있다.
본 실험실에서 보유하고 있는 연구 기기는 Panvera사의 Beacon Fluorescence Polarization System(FP System), Bio-Logics사의 Stopped-flow, Proteogen사의 microarray, GenePix 사의 형광 스캐너, PSI사의 Atomic Force Microscopy (AFM)등이 있다.
Beacon Fluorescence Polarization System(FP System) 기기는 형광 편광을 이용하여 단백질-단백질간의 상호작용을 확인하는 것으로, 측정할 수 있는 단백질의 농도가 fM까지 가능하다. 또한 수용액상에서 일어나는 단백질 간 상호작용을 측정하기 때문에 실제 일어나는 단백질간의 결합과 비슷한 반응을 볼 수 있다는 장점도 있다. 또한 단백질-단백질 결합뿐만 아니라 효소 반응과 결합 반응 속도도 측정할 수 있다.
Stopped-flow 기기는 단백질-단백질, 효소-기질 등의 반응이 매우 빠른 속도로 일어날 때 이들 간의 상호작용을 측정할 수 있다. 특히, 해리상수가 매우 낮은 반응의 경우, Beacon Fluorescence Polarization System(FP System)으로는 이들 분자간의 상호작용을 측정하기가 어렵기 때문에 Stopped-flow 기기를 사용하여야만 한다.
이외에 Proteogen사의 Proteochip이라는 단백질 칩 링커 슬라이드와 microarray를 이용하여 마이크로수준에서 단백질을 스팟팅 할 수 있고, 형광 스캐너를 이용하여 단백질-단백질 결합을 확인 할 수 있다.
Atomic Force Microscopy (AFM)을 이용하면 나노수준에서 단백질-단백질 상호작용을 연구할 수 있다.
4. 연구실 최근 동향 및 연구실원
본 연구실은 장수익 교수를 중심으로 박사 후 연구원 1명, 박사과정 1명, 석사과정 3명 및 연구원 4명 총 9명이 연구를 수행하고 있다. 2009년 교육과학기술부지정 글로벌연구실로 선정되어 영국의 Imperial College London과 국제공동 연구를 진행하고 있으며, 미국 등 외국 선진국들과의 공동 연구 또한 활발하게 진행 하고 있다. 연구실원 중의 강동구 박사는 전 세계 자연과학 및 공학 분야의 최고 기관인 영국왕립협회로부터 영국최고 수준의 fellowship 프로그램인 “뉴턴 국제펠로우쉽”에 선정이 되어 영국의 Imperial College London의 Andrew deMello 교수 연구실로 2년간 파견 근무를 나가게 되었다. 또한 한영 협력창구사업을 통해 영국 생명과학분야 연구자들과의 네트워크를 구축하고 국제 교류도 활발하게 진행하고 있다. 본 연구실은 지난 5년 동안 총 18편의 SCI급 논문을 게재하였으며, 국내외 특허등록 및 출원 6건 등 국내에서 활발한 연구업적을 만들고 있는 연구실 중 하나이다.
