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바이오통신원   
스스로 광합성하는 인공세포 제작
생명과학 과학기술정보통신부 (2018-05-29)

신관우 교수(서강대학교), 케빈 파커 교수(하버드대학교), 안태규 교수(성균관대학교) 및 정광환 교수(서강대학교)가 공동연구를 통해 살아있는 세포와 동일한 형태와 기능을 가지며, 빛을 사용하여 스스로 에너지를 생산하는 인공세포*를 제작하는 데 성공했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)‧한국연구재단은 밝혔다.
  * 인공세포(Artificial Cell) : 광합성을 통한 에너지 전환, 미토콘드리아를 이용한 생체 에너지(ATP) 생산 그리고 이를 이용한 세포 내 물질 합성 등이 가능한 인공구조체

이 연구 성과는 국제적인 학술지 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology) 5월 28일 자에 게재되었으며, 네이처(Nature)의  하이라이트(highlight)로 소개되었다.
    ※ 논문명 : Photosynthetic artificial organelles sustain and control ATP-dependent reactions in a protocellular system
    ※ 주저자 : 신관우 교수(교신저자, 서강대), 케빈 파커 교수(교신저자, 하버드대), 안태규 교수(교신저자, 성균관대), 정광환 교수(교신저자, 서강대), 이길용 박사 (제1저자, 서강대-하버드대)

연구팀은 식물에서 광합성 단백질과 박테리아에서 광전환 단백질을 추출한 후 세포와 유사한 형태로 재조합하여 인공세포를 제작   하였다. 
개발된 세포는 빛을 사용하여 스스로 생체에너지(ATP)*를 생산하며, 세포의 움직임과 형태를 구성하는 세포골격을 합성하고, 또한 빛에 반응하여 스스로 움직임을 보였다. 이는 마치 원시적 형태의 살아있는 세포와 유사하다.
  * 생체에너지(ATP) : 세포 내에서 다양한 성장과 생식에 필요한 모든 대사 활동에  에너지원으로 활용되는 물질

신관우 교수는 “이 연구성과는 살아있는 생명체에 가장 근접한  혁신적인 연구성과이며, 스스로 외부 환경에 적응하고 성장하는 생명체를 인간이 만들어낼 수 있다는 가능성을 보여준 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었다.

□ 논문명, 저자정보

  - 논문명 : Photosynthetic artificial organelles sustain and control ATP-dependent reactions in a protocellular system
  - 저  자 : 신관우 교수(교신저자, 서강대), 케빈 파커 교수(공동교신, 하버드대), 안태규 교수(공동교신, 성균관대), 정광환 교수(공동교신, 서강대), 이길용 박사(제1저자, 서강대-하버드대), 박성진 박사(하버드대), 이건아 박사(서강대), 김세환(서강대), 김희연(서강대), 야스민 메로즈(하버드대), 마하데반 교수(하버드대)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 세포가 독립적인 생명체로 여겨지는 이유는 외부의 빛이나 영양분을 흡수하여 성장에 필요한 다양한 물질을 스스로 합성하는 대사활동을 수행하기 때문이다. 이와 같이 세포 내에서 일어나는 다양한 대사활동은 에너지를 흡수하고 물질을 전환하는 매우 복잡한 과정으로 구성되어 있기에, 과학적으로 모사할 수 없는 가장 어려운 연구로 알려져 있다.

 2. 연구 내용
  ○ 연구팀은 시금치에서 광합성 단백질과 박테리아에서 광전환 단백질을 추출 후 빛을 사용하여 생체에너지(ATP)를 생산할 수 있는 인공 미토콘드리아*를 제작하였다. 또한 인공 미토콘드리아를 인공세포막에 삽입하여 골격단백질*을 스스로 합성하며 움직이는 인공세포를 만드는 데 성공하였다.
    * 미토콘드리아(Mitochondria) : 세포가 수행하는 대부분의 생체 활동과 대사 활동에   필요한 생체에너지(ATP)를 생산하는 기능을 담당하는 세포 내 소기관
    * 골격단백질 : 빛을 사용하여 스스로 생체에너지(ATP)를 생산하고 이를 이용하여 세포의  움직임과 형태를 구성하는 기능을 가짐
  ○ 외부에서 빛을 쪼여주면, 인공 미토콘드리아는 세포 내 환경에 따라서 스스로 작동하며 지속적으로 생체에너지를 만드는 활동을 수행한다. 이를 통해서 형성된 골격 단백질이 주변의 세포막을 움직이도록 하여 마치 세포가 외부 환경에 따라 스스로 움직임을 보이는 것과 같이 대사활동을 수행한다.  
  ○ 개발된 인공세포는 외부환경에 따라서 최소 한달까지 지속적으로 대사활동을 하며, 광합성을 할 수 있다. 이는 진화의 초기단계의 세포와 매우 유사한 형태로 현재까지 인공적으로 구현된 세포 중 가장 진화한 형태와 기능을 가지고 있다.

 3. 연구 성과   
  ○ 이 연구 성과는 기존의 생화학-의학연구에 살아있는 세포와 매우 유사한 환경에서 자유롭게 실험할 수 있는 세포 모사체를 제공할 수 있으며, 세포 내에서 벌어지는 다양한 의학적 부작용이나 대사활동의 비정상적인 활동의 원인을 밝혀내는데 기여 할 수 있다.
  ○ 또한 기능이 저하된 세포를 대체할 수 있는 기능성 세포의 제작과 인공적으로 배양된 장기와 조직을 구현할 수 있도록 하는 가장 핵심적인 기술을 제공한다. 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2009년 영국 BBC에서 “인간이 만드는 세포”라는 주제의 기사가 발표된 후, 국내의 인공세포 관련 전문가들과 해외공동연구자를 규합하여 지난 8년간 연구에 매진하였습니다. 인공세포를 구성하기 위한 각각의 기술들을 면밀하게 검토하였을 때, 10년 이내 성공할 수 있다는 가능성과 자신감이 이 연구의 시작 배경이라고 할 수 있습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구의 과정을 주도한 신관우 교수는 화학을 연구배경으로 하고 있습니다. 인공세포에 핵심적인 광전환 단백질을 확보하기 위하여 성균관대 에너지과학과의 안태규 교수, 서강대학교의 생명과학과 정광환 교수가 연구팀에 참여했고, 에너지전환에 의한 세포의 움직임을 구현하기 위하여 미국 Harvard 대학 바이오엔지니어링학과의 Kevin Parker 교수, Wyss Institute의 Mahadevan 교수 연구팀이 참여했습니다. 국내외 최고의 연구팀이 서로 연구의 성과를 공유하며 좋은 연구 결과가 나오도록 노력해왔습니다. 2015년 초기 연구성과가 나왔지만 완성도를 높이기 위해 노력한 결과, 2018년에야 비로소 연구결과를 발표할 수 있게 되었습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

하나의 연구 집단이 수행할 수 있는 연구의 범위는 그 전문성에 비추어 한계가 있기 마련입니다. 다양한 연구과제의 성과발표를 미루어 가면서 하나의 목표를 향해 5개 연구팀들을 조율하는 것이 가장 어려웠습니다. 화학적으로는 가능함을 확인했지만, 실제 세포가 빛에 의해서 반응하여 움직임을 보이는 영상을 촬영하는 데만 2년이 걸렸으며, 그 과정에서 연구결과를 분리하여 발표하자는 각 연구팀들의 의견을 조율하며, 연구의 완성도를 높이기 위해 꾸준한 토론과 성과의 공유를 통해 연구를 진행하였습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이 연구는 세포를 구성하고 있는 핵심적인 생체물질을 식물, 박테리아, 동물에서 각각 추출하여 세포와 동일한 형태로 재구성해서 스스로 작동하는 인공세포 구조체를 제작하였다는 점이 가장 큰 성과라고 볼 수 있습니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

과제의 책임자는 2012년 중학생을 대상으로 “사람이 만드는 세포의 꿈”이라는 대중강연을 하면서, 5년 내에 이를 실증할 수 있는 성과를 약속한 바 있습니다. 이 연구는 인간이 만든 최초의 살아있는 세포와 가장 근접한 구조체입니다. 아직 생식기능이나 항상성 등에서 한계는 있지만 이번에 소개된 성과에 하나씩 결합시켜 나가면서, 인간이 반드시 정복해야 할 인공생명체를 구현하기 위해 국내에 “인공세포연구센터”를 확보하여 발전시켜 나갈 계획입니다. 


그림 1.
A. 세포 내 골격단백질이 성장한 인공세포의 사진,
B. 세포막 내부의 광합성을 통해 골격단백질이 만들어내는 인공세포의 움직임,
C/D. 미토콘드리아와 세포막 내부에서 광합성으로 유도된 세포 골격단백질,  그리고 이를 제어하는 모식도

A. 광합성으로 유도된 생체에너지(ATP)로 세포 내 골격단백질이 성장한 인공세포의 내부 구조 (빨간색: 인공세포막, 녹색: 골격단백질)
B. 빛에 의해서 세포막의 특정 위치가 변형되어 이동성을 갖는 세포의 움직임
C. 인공 미토콘드리아를 인공세포막 내부로 삽입하는 모식도
D. 빛에 의해서 생체에너지(ATP)를 형성하여 인공세포 내의 골격단백질을 합성하는 모식도


그림 2. 광합성으로 세포 내 국부적으로 골격단백질을 합성하는 인공세포
세포막에 둘러싸여 있으며 인공광합성을 하는 미토콘드리아와 유사한 소포체에 의하여 생성된 생체에너지(ATP)로 세포막 내의 골격단백질의 합성을 국부적으로 하여 세포막의 구조 변화와 움직임이 유도하는 모식도(왼쪽)와 형광현미경 사진(오른쪽)

 

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