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뉴스 생명과학
인공세포, 진짜에 한 걸음 더 가까워지다
Bio통신원(POSTECH)
- 등록2024.05.31
- 조회1133
최근 POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 이효민 교수 · 통합과정 서한진 씨 연구팀은 미세유체기술을 활용해 선택적 분자 투과도를 가진 양친매성 고분자 막 기반 인공세포 구조체를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 온라인판에 게재됐다.
세포(Cell)는 생명체의 가장 기본적인 생명 단위로 세포 내 요소들은 고도화된 네트워크를 통해 상호유기적으로 연결되어 있다. 따라서, 세포 안팎에서 일어나는 여러 화학반응을 개별적으로 이해하기는 거의 불가능해 세포의 가장 기본적인 기능과 특징을 재현한 인공세포(Artificial cell) 시스템을 활용한다. 하지만, 현재 기술로는 세포막 등 요소를 포함한 정교한 시스템을 만드는 데 한계가 있으며, 세포 내에서 일어나는 반응들을 시공간적으로 정확하게 재현하기 어려웠다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 ‘드롭릿(droplet) 기술’이라는 미세 유체 기술을 이용했다. 연구팀은 마이크로미터(10-6m) 규모에서 액체 방울을 정교하게 제조하는 드롭릿 기술을 토대로 양친매성 고분자가 스스로 자기조립 되도록 유도하여 마이크로미터 규모의 폴리머좀(Polymersome)을 합성하는 데 성공했다.
연구팀의 폴리머좀은 고분자의 양친매성 성질을 이용하여 리포좀(Liposome)에 비해 기계적인 안정성이 높은 이중 층 단일 막을 형성했으며, 고분자의 종류를 달리하여 다양한 막 투과도를 가진 폴리머좀을 만드는 데도 성공했다.
이를 바탕으로 연구팀은 막 투과도가 서로 다른 두 종류의 폴리머좀을 합성해 세포 안팎의 여러 생화학적 반응을 재현하는 모델을 만들었다. 연구팀의 모델은 외부에서 주입하는 기질에 따라 다양한 생화학 반응들을 구현해냈다.
이어, 연구팀은 외부에서 주입하는 기질에 따라 코아세르베이트(Coacervate)1) 구조가 형성되거나 분해될 수 있으며, 경쟁적 효소 반응으로 이 구조가 스스로 형성되고 분해되도록 설계하는 데도 성공했다. 기존 시스템보다 효소 반응을 더 정밀하게 시공간적으로 제어함으로써 실제 복잡한 세포 공동체 시스템과 유사한 인공세포 시스템을 만든 것이다.
POSTECH 이효민 교수는 “여러 생화학적 반응을 시공간적으로 조절할 수 있는 다기능성 플랫폼을 만들었다“라며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 또, 서한진 씨는 ”다양한 재료를 활용해 외부 자극에 능동적으로 막 투과도를 조절할 수 있는 인공세포 구조체를 구현하고 싶다“는 포부를 전했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업, 기초연구실 지원사업, 선도연구센터(혁신연구센터) 사업, 보건복지부 보건의료기술연구개발사업, 그리고 산업통상자원부 바이오산업기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
논문명 Programmable Enzymatic Reaction Network in Artificial Cell-Like Polymersomes (인공세포 모사 폴리머좀 내 프로그래밍 가능한 효소 반응 네트워크 구현)
연구자 (주저자) 이효민(교신저자, POSTECH), 서한진(제1저자, POSTECH)
DOI https://doi.org/10.1002/advs.202305760
본 연구의 기본 개념도 [사진=POSTECH]
각기 다른 분자 투과도를 가지는 고분자 막으로 구성된 두 인공세포를 합성하해, 내부 효소의 기질만 크기 선택적으로 통과시켜 세포 내 및 세포 간 생화학 반응을 시공간적으로 조절할 수 있도록 함.
주요 결과 요약 [사진=POSTECH]
전달세포를 통과할 수 있는 효소 기질인 포스포에놀피루브산(Phosphoenolpyruvate, PEP)은 외부에서 주입되어 전달세포 내 피루베이트 키네이스(Pyruvate kinase, PyK)에 의한 효소 반응을 거쳐 전달세포와 수신 세포 모두를 통과할 수 있는 반응 부산물인 피루베이트(pyruvate)를 생성함.
생성된 피루베이트는 전달세포의 막과 수신세포 막을 통과하여, 수신세포 내 젖산탈수소효소(Lactic dehydrogenase, LDH)에 의한 산화 반응을 거쳐 내부 코아세르베이트 구조가 분해됨.
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