유전질환 진단의 혁신을 이루다
하이드로젤 기반 다중 유전자 증폭기술 개발
한국과학기술연구원 최낙원 박사
고려대학교 최웅선 연구원
실시간 핵산 증폭(qPCR)은 극소량의 유전물질을 증폭시켜 질환과 관련된 유전자의 유무를 판단하는 방법으로 암, 알츠하이머와 같은 질환의 진단과 예후 모니터링에 사용되고 있다. 하지만 기존의 용액 기반 qPCR은 단일 샘플로부터 5~6개의 유전자만 동시에 검출할 수 있도록 제한되고, 프라이머(primer)를 대단히 정교하게 디자인하더라도 비특이적 증폭이 일어날 수 있다는 한계가 존재한다. 이에 최근 한국과학기술연구원(KIST) 최낙원 박사, 고려대학교 최정규 교수, 최웅선 연구원을 주축으로 한 공동 연구팀이 하이드로젤 안에서 qPCR 반응이 이뤄짐으로써 복잡한 프라이머 디자인 없이 여러 종류의 마이크로RNA(miRNA)를 특이적으로 검출하는 기술을 개발, 기존 방식의 한계를 뛰어넘었다. 즉, 하이드로젤을 이용해 여러 유전자를 동시에 정밀하게 검출할 수 있는 최적의 기술을 개발한 것으로, 알츠하이머 뿐 아니라 다양한 유전질환 진단에 적용될 것으로 기대를 모은다.
하이드로젤 이용 여러 종류의 마이크로RNA 동시 검출
실시간 핵산 증폭(qPCR)은 극소량의 유전 물질을 증폭시켜 질환과 관련된 유전자의 유무를 판단하는 방법이다. 즉, 프라이머가 타겟 핵산과 상보적 결합 후 DNA 중합 효소에 의해 기하급수적으로 타겟 핵산을 복제하는 반응으로서 정량적 중합 효소 연쇄 반응이라고도 일컫는다.
최근에는 동시 다중 검출이 가능한 qPCR이 소개되면서 혈액 내 여러 가지의 마이크로RNA를 검출하는 것이 점차 편리해지고 있는데, 이를 이용해 알츠하이머 질환을 진단하고자 하는 연구가 활기를 띠고 있다. 하지만 기존 용액 기반 qPCR은 수용액 상태로 이뤄지기 때문에 형광 염료들의 색깔 구분을 위해 동시 다중 검출할 수 있는 숫자가 통상적으로 5~6가지로 제한돼 왔다.
또한 여러 가지의 마이크로RNA를 qPCR로 검출하고자 할 때, 프라이머(primer) 세트를 대단히 정교하게 디자인하더라도 비특이적 증폭이 일어날 수 있는 한계가 있다. 프라이머는 타겟 유전자를 증폭하는 데 꼭 필요한 개시제로서 증폭하려는 DNA 가닥에 상보적으로 결합해 DNA 중합효소가 핵산을 합성하는 출발점이 되는 역할을 한다. 이때 반드시 포워드(forward)와 리버스(reverse) 프라이머 한 쌍이 있어야 하는데 기존 qPCR은 여러 가지의 마이크로RNA 각각의 프라이머들이 동시에 들어가기 때문에 자신의 짝이 아닌 다른 프라이머와 쌍을 이뤄 생기는 비특이적 신호가 수반될 수 있다. 예를 들어 프라이머 A-1과 A-2가 한 세트인데 마이크로RNA 프라이머 여러 개가 동시 투입되면서 A-1이 다른 프라이머인 B-2를 자신의 짝으로 착각하는 오류를 범할 수 있다는 것이다.
따라서 동시 다중 검출 시 이러한 비특이적 증폭을 방지하기 위해서는 프라이머의 디자인을 매우 정교하게 해야 하기 때문에 전문가의 도움을 받아야 하는 번거로움을 감수해야 했다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 하이드로젤을 사용해 여러 가지 프라이머들을 공간적으로 격리하는 데 착안, 연구를 진행하기 시작했다.
이번 연구를 주도적으로 수행해 온 최웅선 연구원(고려대학교 석박사 통합 과정·한국과학기술연구원)은 “자외선을 통해 광가교시킬 수 있는 하이드로젤, 이와 같이 결합할 수 있는 작용기를 가진 포워드 프라이머를 섞어 광가교 시킴으로써 포워드 프라이머가 화학적으로 하이드로젤 내부에 고정돼 있는 구조체를 제작했다.”며 “자외선을 여러 번 쪼여줌으로써 하이드로젤 기둥을 플라스틱(폴리카보네이트) 칩 안에 고정화시켰고, 이를 통해 하이드로젤 기둥을 위치별로 구분할 수 있었다.”고 설명했다.
하이드로젤은 젤의 조성 및 쪼여주는 자외선의 에너지에 따라서 기공의 크기를 조절할 수 있어 이를 통해 마이크로RNA 및 qPCR에 필요한 물질들이 하이드로젤 내부로 자유롭게 확산될 수 있도록 조절했다. 특히 하이드로젤 기둥들끼리는 물리적으로 거리가 떨어져 있기 때문에 프라이머 간의 상호 간섭을 막았고, 이로써 기존 qPCR의 난제였던 비특이적 증폭이 거의 발생하지 않았다.
최웅선 연구원은 “qPCR의 신호가 하이드로젤 기둥 내부에만 국한됨에 따라 한 가지 색깔의 형광 염료만으로도 여러 종류의 하이드로젤 기둥을 구별할 수 있다.”며 “이번 연구에서는 6개의 서로 다른 하이드로젤 기둥을 제작해 동시 다중 검출이 가능하게 했고, 사용된 플라스틱 칩에서는 최대 27개의 유전자를 검출할 수 있도록 하이드로젤 기둥을 배치 및 고정할 수 있다.”고 덧붙였다.
즉, 하이드로젤 안에는 특정 마이크로RNA를 증폭하기 위한 프라이머가 고정돼 있고, 하이드로젤 기둥의 수만큼 최대 27개의 유전자를 동시에 검출할 수 있어 기존에 비해 동시 다중 검출의 효율성을 대폭 강화시킬 수 있다는 설명이다. 이는 곧 하이드로젤 기둥의 수가 늘어난다면 동시 검출 가능한 유전자 수가 27개 이상으로 증가할 수도 있다는 가능성을 보여주는 대목이기도 하다.
아울러 이번 연구에서는 검증 모델로서 알츠하이머 질환과 관련이 있는 5가지 종류의 마이크로RNA 타겟을 인간 혈장(plasma) 안에서도 선택적으로 검출할 수 있음을 확인했다.
이처럼 연구팀이 개발한 플랫폼을 활용하면 여러 종류의 유전자 바이오 마커를 혈액과 같은 적은 양의 체액 임상 샘플로부터 qPCR을 통해 손쉽게 검출할 수 있고, 하이드로젤을 사용하기 때문에 기존의 qPCR 장비는 물론 새로운 qPCR 장비를 제작하는 데에도 활용 가능하다.
최웅선 연구원은 “이번 연구는 하이드로젤을 이용해 여러 유전자를 동시에 정밀하게 검출해 내는 최적의 기술을 개발한 것”이라고 강조하며 “연구팀에서는 개발한 플랫폼을 기반으로 알츠하이머 환자 혈액에서 포집한 마이크로RNA 검출 연구를 포함해 다른 질병과 관련된 다양한 유전자 검출로 활용 범위를 확장 중”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국과학기술연구원 바이오마이크로시스템연구단 최낙원 박사와 고려대학교 화공생명공학과 최정규 교수가 공동 교신저자로, 최웅선 연구원이 공동 1저자로 참여했으며, 바이오센서 분야 최고 수준의 국제학술지인 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)’지 2017년 10월 19일자에 온라인 게재됐다.
뇌 신경망 재구성을 위한 3차원 플랫폼 개발
한국과학기술연구원 최낙원 박사 연구팀은 이번 ‘하이드로젤 기반 다중 유전자 증폭기술’ 개발에 앞서 2017년 2월 ‘뇌 신경망 재구성을 위한 3차원 플랫폼’ 개발에도 성공한 바 있다. 수많은 신경 회로망들이 복잡하게 연결된 뇌 조직을 실제 세포 배양에 쓰이는 생체재료(3차원 체외환경) 내에서 구현하는 기술을 개발한 것으로, 한국과학기술연구원 신경과학연구단·치매DTC 융합연구단의 허은미 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 일궈낸 성과다.
뇌는 워낙 복잡하고 정교한 조직이기 때문에 아직 인간이 극복하지 못한 영역 중 하나다. 그러나 알츠하이머 병, 파킨슨 병 등을 연구하기 위해서는 뇌를 알아야만 한다. 문제는 실제 인간 뇌를 가지고 연구하는 데에는 한계가 있다는 점이다. 이에 최근 과학계는 인간의 뇌를 그대로 만들어 내는 연구에 주목하고 있다. 만약 뇌 조직을 구현한다면 여러 가지 뇌 질환 연구가 가능하기 때문이다.
공동 연구팀이 개발한 ‘뇌 신경망 재구성을 위한 3차원 플랫폼’은 3차원 체외 환경에서 뇌 안에 있는 해마 신경 회로망의 구조 및 기능을 구현한 것으로서 ‘뇌 조직 체외 환경 구축’ 연구를 크게 진일보시킨 성과라고 할 수 있다. 이른바 뇌 조직을 내비게이션이라고 한다면, 큰 길만 안내하던 내비게이션에서 작은 골목과 방향까지 가늠할 수 있는 '뇌 내비게이션'이 만들어진 것으로 해석된다.
연구팀은 콜라젠 섬유를 특정 방향으로 정렬할 수 있는 기술을개발해 콜라젠 내에서 신경세포를 3차원 배양할 때 세포 축삭의 성장 방향을 유도할 수 있도록 했다. 축삭은 신경 세포(뉴런)의 세포체에서 길게 뻗어 나온 가지로, 활동 전위를 전달하는 역할을 한다.
이 기술을 적용해 뇌 안에 있는 해마의 CA3, CA1에서 추출한 신경세포들이 정렬된 콜라젠 섬유를 따라 분화, 성장하면서 시냅스를 형성하는 CA3-CA1 신경 회로망을 재구축하는 데 성공할 수 있었다. 또한 이 신경 회로망이 구조적 연결성뿐 아니라 기능적 연결성도 갖췄음을 실험적으로 증명했다. CA3, CA1은 대뇌변연계의 양 쪽 측두엽에 존재하는 해마 내 부위로 학습과 기억을 담당한다.
최낙원 박사는 “우리 몸 안의 여러 장기와 조직은 세포와 세포 이외에 다양한 요소들이 특정 방향으로 정렬돼 있는데, 이것은 구조적 속성을 가지면서 생물학적 기능이 작동되도록 하기 위한 것”이라며, “조직공학 측면에서 보면, 체외 환경에서 장기 또는 조직을 새롭게 만들어 내고자 할 때 세포의 방향성을 구현하고 조절할 수 있다는 것은 조직의 외형적 구조뿐 아니라 기능도 모사할 수 있다는 것을 의미한다.”고 설명했다.
이번 연구성과는 실제 세포 배양에 쓰이는 생체재료(3차원 체외 환경) 내에서 방향성 구현이라는 난제를 해결하고, 특히 해부학적으로 뚜렷하게 구별되는 많은 신경 회로망들이 서로 복잡하게 연결된 뇌 조직을 체외 환경에서 재구축했다는 점에서 큰 의미를 가진다. 이를 활용하면 정상적 신경 회로망뿐 아니라 알츠하이머 병, 파킨슨 병 등 비정상적 질병 상태의 신경 회로망까지 재구축하는 데 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2017년 2월 1일자 온라인 판에 게재되며 과학계의 이목을 집중시켰으며, 또한 2017년 12월 BRIC 회원들을 대상으로 한 설문 조사를 통해 ‘2017 국내 바이오 성과/뉴스 Top5's’에서 생명과학부분 연구성과로 선정됐다.
뇌신경과학/의공학 마이크로소자 분야 선도 ‘바이오마이크로시스템연구단
이처럼 괄목할 만한 연구성과들을 창출하고 있는 한국과학기술연구원 바이오마이크로시스템연구단은 본원에 소재한 7개 연구소 및 연구본부 중 뇌과학연구소에 소속된 4개 연구단 중 하나다.
microelectromechanical systems(MEMS), nanoelectromechanical system(NEMS), Bio-MEMS 기반 진단 및 치료 시스템을 위한 핵심기술을 개발하고, 차세대 뇌신경과학/의공학 마이크로시스템에 응용함으로써 나노바이오 기술의 융합을 통해 뇌신경과학/의공학 마이크로소자 분야에서 세계적 선도 연구센터로 발전하는 것을 목표로 삼고 있다.
연구단의 역사는 2000년으로 거슬러 올라간다. 당시 21세기 프론티어사업의 일환으로 마이크로시스템연구센터가 탄생했는데 이 센터가 현재 연구단의 전신이라고 할 수 있다. 센터는 MEMS 기술을 이용한 다양한 마이크로소자 개발을 중점적으로 수행해 나갔으며, 새로운 연구 테마 발굴을 목적으로 2번의 변신을 시도하게 된다. 먼저 2007년 연구단 명칭을 나노바이오연구센터로 변경하고, 기존에 축적해 온 마이크로소자 개발 기술과 노하우를 나노바이오 분야에 적용하고자 했다. 이후 2010년 대대적인 조직 개편을 통해 한국과학기술연구원 내에 다학제적 연구소들이 설립되기 시작했고, 이러한 흐름에 발맞춰 2011년 공식 명칭을 바이오마이크로시스템연구단으로 변경, 현재에 이르고 있다.
특히 조직 개편 당시 연구단을 기계공학, 전기전자공학, 재료공학, 화학, 화학공학 전공 연구원들로 구성했는데, 이는 연구 개발 응용 분야를 뇌과학/신경과학과 새로이 접목하기 위한 혁신적 시도였다고 할 수 있다. 물론 초기에는 상이한 전공자들 간 소통에 따른 어려움도 있었지만, 3년차에 접어들면서 본격적인 시너지 효과를 내기 시작했고, 현재 연구단 구성원들의 절반 이상은 연구소 내외 여러 뇌신경과학자들과 융합 연구를 수행하며 의미 있는 성과들을 속속 창출하는 중이다.
최낙원 박사는 “당시 연구단의 도전적 결정에 따른 성장통은 분명 있었으나 이를 영양분으로 삼아 한층 더 발전, 진화해 가고 있다는 자체 평가를 내리고 있다”며 “뇌신경과학 분야 글로벌 중대형 연구 그룹들도 기존의 기술, 테크닉의 한계를 뛰어넘는 새로운 공학적 툴 개발을 주도할 수 있는 조직이 함께 한다는 점을 부러워할 정도”라고 전했다.
연구단에서 중점을 두고 있는 연구 분야는 신경 신호 측정, 신경 전극 등 신경공학, 의공학적 생체 신호 모니터링을 위한 나노바이오 센서, 미세유체 칩 등을 이용한 세포 배양 시스템, 캡슐 내시경 기반 바이오로봇, 생체모사 마이크로팹(microfabrication) 기술이다. 특히 MEMS 기술이 뇌의 기능을 연구할 수 있는 새로운 소형화 툴을 제공함으로써 뇌과학 관련 새로운 다학제적 연구 분야를 열어가고 있다. 최근에는 △전기적, 화학적, 광학적 자극과 같은 다양한 형식의 자극과 함께 전기적 측정을 위한 다기능 신경프로브 △질병의 조기 진단뿐 아니라 신경영양성인자의 모니터링을 위한 다양한 마이크로/나노기술 기반 센서 △뇌 조직의 중요한 구조 및 기능을 담을 수 있는 3차원 배양 플랫폼 개발 등에 집중해 왔다.
좋은 프로젝트의 핵심은 ‘사람’이다
연구단이 지속적으로 성과를 도출할 수 있었던 가장 큰 동력은 공동 연구라고 할 수 있다. 정체성이 될 수 있는 연구 분야를 확고히 하고, 이를 기반으로 다른 연구자들과 공동 연구를 수행해 연구에 완성도를 더하고, 시너지 효과를 창출한다는 것이다.
연구란 알려져 있는 않은 현상을 명확히 규명해 나가는 과정이기 때문에 늘 불확실성에 대한 어려움이 존재한다. 따라서 다양한 실험 장비와 여러 분야의 전문가들이 역량을 모을수록 더욱 명확한 현상 규명이 가능해진다. 그러나 결코 공동 연구가 쉬운 일은 아니다. 서로 다른 전공자들인 만큼 같은 사실을 두고도 다르게 해석할 수 있기 때문이다.
이때 ‘다름’을 ‘틀림’으로 받아들이는 순간 공동 연구는 난항을 겪게 된다. 따라서 최낙원 박사는 평소 연구원들에게 공동 연구를 수행하면서 서로의 생각이 다르다는 점을 인정하고, 소통하려는 노력이 무엇보다 중요함을 강조하고 있다. 즉, 그가 강조하는 공동 연구 성공의 핵심 키워드는 ‘사람’인 셈이다.
최낙원 박사는 “서로 다른 분야의 사람들이 모여 하나의 목표를 위해 함께 연구한다는 것이 결코 쉽지 않은 일인 만큼 서로 조금씩 양보하고 이해하려는 노력이 필요하다”며 “평소 연구원들에게 ‘좋은 프로젝트는 없다! 단지 좋은 프로젝트를 만드는 사람만이 있을 뿐’이라고 이야기 해주고 있다”고 덧붙였다.
또 하나 연구단의 큰 힘은 책임연구원과 선임연구원, 연구원들 간의 끈끈한 신뢰라고 할 수 있다. 일례로 책임연구원인 최낙원 박사는 언제든 연구원들이 난관에 부딪혔을 때 찾아올 수 있도록 연구실 문을 열어두고, 조언을 아끼지 않는다. 문제에 대해 함께 고민하고, 해결방안을 연구원 스스로가 찾을 수 있도록 돕는 과정을 통해 자연스레 신뢰가 형성되고 있는데, 이러한 신뢰가 연구가 꽃 필 수 있는 탄탄한 뿌리가 되고 있는 것이다.
최낙원 박사는 앞으로 뇌신경과학과 관련해 조직이나 장기를 모사해서 만드는 연구, 그리고 여러 질환의 진단 및 예후 모니터링을 할 수 있는 기술을 개발하는 데 중점을 두고 연구를 수행해 나갈 계획이다. 무엇보다 개발한 기술을 통해 기초과학, 의학 분야 발전에 작으나마 기여하고 나아가 ‘인류의 삶에 도움이 되는 연구자’가 되는 것이 소망이라는 바람을 전했다. 화려하거나 거창하기보다 따뜻하고 인간적인 그의 꿈처럼 오늘도 연구실은 환히 불을 밝히고 있다. 순수함을 간직한 열정과 끈질긴 기술개발로 이뤄 나갈 최낙원 박사의 조용한 혁명은 이제부터가 시작이다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2018년 3월호에 게재 되었습니다.>
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