국내 연구진이 생체 구조체의 활용 범위와 생체형틀법으로 적용할 수 있는 영역을 넓히는 데 성공했다.
생체형틀법은 바이러스부터 인체를 구성하는 조직과 장기에 이르기까지 생체 구조의 기능을 활용하기 위해 생체 구조를 형틀로 사용해 기능성 구조재료를 만들어내는 방식을 말한다.

KAIST는 신소재공학과 장재범·정연식 교수 공동연구팀이 생체 시료 안의 특정 내부 단백질을 활용, 높은 조정성을 가진 생체형틀법을 개발했다고 10일 밝혔다.

생물학적 구조는 인공적으로 복제하기 어려운 정도의 복잡한 특징을 가졌다.
하지만 생체형틀법은 생체 구조체를 직접적으로 활용해 제작한다는 점에서 다양한 분야에서 응용돼 사용될 수 있었다.

단 기존에는 주로 생체 시료의 외부 표면만을 활용하거나, 한정된 수치와 샘플 크기로 다양한 생체 구조체 틀의 구조-기능 상관성을 활용해 기능성 나노구조체를 제작하기 어려운 한계를 보였다.

공동연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 다양한 생체 내부 구조체를 활용하고, 높은 조정성을 가지는 생체형틀법 찾아내는 데 주력했다.

이 결과 다양한 단백질로 구성된 생체 시료 안에서 특정한 단백질 구조체로부터 선택적으로 다양한 특정 및 크기를 가진 나노구조체를 합성할 수 있는 ‘캠바이오(Conversion to advanced materials via labeled Biostructure·CamBio)’ 생체형틀법을 개발하는 데 성공했다.

공동연구팀이 개발한 캠바이오 방식에서는 여러 제조·생물 분야 기술을 병합해 생체 시료에서 제작할 수 있는 기능성 나노구조체의 높은 조정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

이 방식은 반복적으로 항체를 붙이는 기술, 세포를 일정한 모양으로 배열하는 기술 그리고 조직을 얇게 자르는 기술을 통해 캠바이오로 만든 기능성 나노구조체가 물질 감지에 사용되는 표면증강 라만산란(SERS) 기판에서 향상된 성능도 보인다.
표면증강 라만산란은 빛을 이용해 아주 적은 양의 물질도 감지할 수 있는 기술로, 금 또는 은 등 금속 표면에서 특정 물질이 빛과 반응하며 신호가 증폭되는 원리다.

공동연구팀은 세포 속 골격 단백질을 이용해 만든 나노입자 체인을 반복적으로 항체를 붙이는 과정에서 구조를 더 자유롭게 조정하고, 최대 230% 향상된 표면증강 라만산란 성능을 확인했다.

또 세포 내부의 구조체를 활용하는 과정에서 확장해 고기 내부 근육 조직(시료)을 동결 절편기로 얻고, 캠바이오 과정을 수행해 금속 입자로 이뤄진 주기적 밴드 기판을 제작하는 데도 성공했다.

이와 같은 방식으로 기판을 제작하는 것은 생체 시료를 활용해 대면적으로 제작할 수 있을 뿐 아니라 가격 경쟁력도 높을 것으로 공동연구팀은 판단한다.

개발한 캠바이오는 생체시료의 활용 범위를 넓힘으로써 다양한 연구 분야가 직면한 문제를 해결할 수 있는 생체형틀법이 될 것으로 기대된다.

송대현 KAIST 신소재공학과 박사과정(제1저자)은 “캠바이오로 다양한 단백질 구조체를 활용할 수 있는 생체형틀법을 포괄적으로 적립했다”며 “향후 이 방법이 유전자 편집이나 3D 바이오프린팅 등 최신 생물기술, 새로운 물질 합성 기술 등과 결합한다면 다양한 응용 분야에 활용 범위를 더 늘려갈 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 과학난제도전융합연구개발사업, 과학기술정보통신부 선도연구센터, 과학기술정보통신부 선도연구센터, 과학기술정보통신부 국가생명연구자원 선진화 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

연구에는 KAIST 신소재공학과 송대현 박사과정과 송창우·조승희 박사가 제1 저자로 참여했다.
연구 결과는 지난해 11월 13일 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science )’ 온라인판에 게재됐다.