신개념 생체형틀법 캠바이오(CamBio) 개발 | 연구성과 > Bio뉴스 > 동향

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신개념 생체형틀법 캠바이오(CamBio) 개발

Bio통신원(KAIST)

등록2025.01.10
조회883

생물학적 구조는 인공적으로 복제하기 어려운 정도의 복잡한 특징을 가지고 있지만 이러한 생체 구조체를 직접적으로 활용여 제작하는 생체형틀법*은 다양한 분야의 응용으로 사용됐다. KAIST 연구진이 이전에 활용할 수 없었던 생체 구조체를 활용하고, 생체형틀법을 통해 적용될 수 있는 영역을 넓히는데 성공했다.

*생체형틀법: 바이러스부터 우리의 몸을 구성하는 조직과 장기에 이르기까지 이러한 생체 구조의 기능을 활용하고자, 생체 구조를 형틀로 사용하여 기능성 구조재료를 만들어내는 방식

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 장재범, 정연식 교수 공동연구팀이 생체 시료 안의 특정 내부 단백질을 활용하고 높은 조정성을 지닌 생체형틀법을 개발했다고 10일 밝혔다.

(왼쪽부터) 신소재공학과 정연식 교수, 송대현 박사과정, 장재범 교수, (우측 상단부터) 송창우 박사, 조승희 박사

기존의 생체형틀법 방법은 주로 생체시료의 외부 표면만을 활용하거나, 한정된 치수와 샘플 크기로 인해 다양한 생체 구조체들의 구조-기능 상관성을 활용하여 기능성 나노구조체를 제작하기 어렵다는 한계를 가지고 있다.

이런 문제를 해결하고자 연구팀은 다양한 생체 내부 구조체를 활용하고, 높은 조정성을 가지는 생체형틀법을 연구했다.

연구 결과, 다양한 단백질들로 구성된 생체 시료 안에서 특정한 단백질 구조체로부터 선택적으로 다양한 특정 및 크기를 가진 나노구조체를 합성할 수 있는 ‘캠바이오(CamBio, Conversion to advanced materials via labeled Biostructure’라는 생체형틀법을 개발했다. 캠바이오(CamBio) 방식에서는 여러 제조·생물 분야 기술들을 병합하여 생체 시료에서 제작할 수 있는 기능성 나노구조체의 높은 조정성을 확보했다.

반복적으로 항체를 붙이는 기술, 세포를 일정한 모양으로 배열하는 기술, 그리고 조직을 얇게 자르는 기술을 통해, 캠바이오(CamBio)로 만든 기능성 나노구조체가 물질 감지에 사용되는 표면증강 라만산란(SERS)* 기판에서 향상된 성능을 보였다.

*표면증강 라만산란(SERS): 빛을 이용해 아주 적은 양의 물질도 감지할 수 있는 기술로, 금이나 은 같은 금속 표면에서 특정 물질이 빛과 반응하며 신호가 크게 증폭되는 원리

연구팀은 세포 속 골격 단백질을 이용해 만든 나노입자 체인은 반복적으로 항체를 붙이는 과정을 통해 구조를 더 자유롭게 조정할 수 있었고, 최대 230% 향상된 SERS 성능을 보였다.

또한, 연구팀은 세포 내부의 구조체를 활용하는 것에서 확장해 고기 내부에 있는 근육 조직을 동결 절편기를 활용해 시료를 얻고, 이에 캠바이오 과정을 수행해 금속 입자들로 이루어진 주기적인 밴드를 가지고 있는 기판 제작에도 성공했다. 이와 같은 방식으로 기판을 제작하는 것은 생체 시료를 활용해 대면적으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라 가격 경쟁력을 가지는 방식임을 보인다.

연구팀이 개발한 캠바이오는 활용될 수 있는 생체시료의 범위를 넓힘으로써 다양한 연구 분야가 직면한 문제를 해결할 방식으로 생체형틀법이 사용될 것으로 기대된다.

제1 저자인 송대현 박사과정은 “캠바이오를 통해서 더욱 다양한 단백질 구조체를 활용할 수 있는 생체형틀법을 포괄적으로 적립했다”라며 “유전자 편집이나 3D 바이오프린팅과 같은 최신 생물 기술 및 새로운 물질 합성 기술과 결합이 계속된다면, 다양한 응용 분야에 생체 구조가 활용될 수 있을 것이다”라고 말했다.

KAIST 신소재공학과 송대현 박사과정, 송창우, 조승희 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science )'에 지난해 11월 13일 자 온라인 공개됐다. (논문명 : Highly Tunable, Nanomaterial-Functionalized Structural Templating of Intracellular Protein Structures Within Biological Species) https://doi.org/10.1002/advs.202406492

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 과학난제도전융합연구개발사업 (한국연구재단 2024), 과학기술정보통신부 선도연구센터 (웨어러블 플랫폼소재 기술센터, 한국연구재단 2023), 과학기술정보통신부 선도연구센터 (글로벌 생체융합 인터페이싱 소재 센터, 한국연구재단 2024), 과학기술정보통신부 국가생명연구자원 선진화사업 (바이오 데이터 품질선도센터, 한국연구재단 2024) 등의 지원을 받아 수행됐다.

□ 연구개요

1. 연구 배경

자연계에서는 바이러스부터 동물 조직에 이르기까지 다양한 생물학적 구조체들이 존재하며, 이러한 구조체들은 주로 단백질로 구성되어 있다. 이러한 단백질 구조체들은 독특한 3차원 구조를 형성하며, 각 구조는 특정 기능을 수행하도록 최적화되어 있다. 또한, 생물학적 구조의 이러한 특징은 인공적으로 복제하기 어려운 정도의 복잡한 경우도 존재한다. 이러한 생체 구조체를 직접적으로 활용하여 기능성 구조체를 제작하는 생체형틀법은 다양한 분야의 응용으로 사용됐다. 하지만, 기존의 방법은 주로 생체시료의 외부 표면만을 활용하거나, 한정된 치수와 샘플 크기로 인해 다양한 생체 구조체들의 구조-기능 상관성을 활용하여 기능성 나노구조체를 제작하기 어렵다는 한계를 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 생체 내부 구조체를 활용하고, 높은 조정성을 가지는 생체형틀법을 개발하고자 하였다.

2. 연구 내용

본 연구는 기존 생체형틀 기법의 한계를 극복하고자 'CamBio (Conversion to Advanced Materials via labeled Biostructures)'라는 통합 생체형틀 플랫폼을 제안하였다. 이 방법은 활용하고자 하는 세포나 조직 내부의 특정 단백질 구조를 선정하여 항체 등으로 구조를 표지하고, 기능성 물질의 성장을 유도하여 기능성 나노구조체를 합성한다. 그리고 여러 제조·생물 기술들을 사용하여 조정성을 획득한다. 본 연구에서는 세포 내부 골격 단백질 중 하나인 마이크로튜블을 활용하여 은 나노입자 체인을 세포 내부에서 합성하여, 이를 통해 고효율의 표면 증강 라만 분광법 (SERS) 기판으로의 활용을 보였다. 세포 내부의 마이크로튜블에 따라 합성된 나노입자 체인 내에 나노입자 간 밀집된 핫스팟 (hot spot) 형성을 통해 신호를 증폭한다. 반복적 항체 표지 전략과 물리적 식각 기법을 사용하여 SERS 기판의 성능을 증대시키고, 추가적인 개질 방식 도입이 가능함을 보였다. 또한, 세포 패터닝 기술을 통해서 나노입자 체인 다발 형식으로 조절하며, 시료 내의 구조 배열을 조절할 수 있음을 보였고, 근육 조직을 활용하여 나노입자들의 주기적인 패턴을 가진 기판을 제작하면서 세포 수준을 넘어 조직 수준에서도 적용할 수 있음을 보였다.

3. 기대 효과

CamBio 플랫폼은 세포나 조직 내부의 단백질 구조가 가진 본질적인 이점을 그대로 활용하여 새로운 기능성 나노구조체를 제작하는 방식으로 사용할 수 있는 생체 구조체의 범주를 확장하며 여러 응용 분야에 사용될 가능성을 열어줄 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 최신 생물 기술들이나 제조 기술을 CamBio와 병합하여 원하는 기능에 맞도록 특성을 조정해나갈 수도 있을 것이다. CamBio를 통해서 기존의 생체형틀법에서 사용하지 못한 다양한 생체 구조들을 통해 제작된 기능성 구조체들이 센서, 에너지, 촉매, 바이오, 의공학 재료 분야에 널리 사용될 것이라고 기대한다.

그림 1. 세포 골격 단백질인 마이크로튜블을 활용한 CamBio. 세포 내부 전역에 걸쳐있는 마이크로튜블을 따라 합성된 은 나노입자 체인을 전자현미경을 통해서 관측할 수 있으며, 이를 활용하여 성공적인 SERS 기판으로의 활용할 수 있음을 보인다. [사진=KAIST]

그림 2. 세포 수준에서의 CamBio를 통한 조정성 확보 방안. 반복적인 항체의 표지와 세포 패터닝 기술을 CamBio와 병합하여 생체형틀법을 통한 구조체의 조정성을 병합하여 특성을 조절하는 예시를 보인다. [사진=KAIST]

그림 3. 조직 수준에서의 CamBio를 통한 조정성 확보 방안. 근육 조직 내부 단백질을 활용하기 위해 동결 조직 절편 기술을 병합하고, 이를 통해 주기적인 나노입자 밴드 패턴을 가진 기판 제작에 성공하고, 나아가 시료의 대면적 획득과 가격 경쟁력을 가질 수 있음을 보인다. [사진=KAIST]

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