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장의경
장의경(Eui Kyoung Jang) 저자 이메일 보기
고려대학교
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Novel enzymatic single-nucleotide modification of DNA oligomer: prevention of incessant incorporation of nucleotidyl transferase by ribonucleotide-borate complex

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

DNA는 생물재료과학 관점에서 매우 흥미로운 물질입니다. DNA의 기본 역할은 유전정보 담지체이지만 복제 및 전사 과정에서 발견되는 2차구조 (G-quadruplex, holiday junction)와 역학적 성질들은 신기능 소재 개발에 대한 과학자들의 상상력을 자극해 왔습니다. 현재, DNA는 뛰어난 자가조립 능력을 지닌 재료로써 활용되어 약물전달 체계에 논리회로 기능을 부여하거나 DNA의 리간드 결합 특성을 활용한 센서 개발 또는 생촉매 개발을 위한 고차구조 플랫폼 제작 등에 활용되고 있습니다.

한편, 자연계에 존재하는 일반 핵염기 (A, G, C, T, U)의 조합으로 구성된 DNA 재료는 기능 수행이 제한적입니다. 현재 보고된 다수의 DNA 기반 분자도구들은 기능 다각화를 위해 형광 표지, 비결합성 핵염기 그리고 반응기 등을 포함한 변형 nucleotides를 도입하고 있습니다. 특히 반응성 핵염기는 가교결합을 통한 표면고정화 또는 보조 인자 (조효소, 펩타이드, 단백질, 지질 등) 도입을 가능케 하므로 DNA 공학의 활용성 증대에 중요한 요소로 여겨지고 있습니다.

우리 연구팀에서 고민했던 부분은 어떻게 하면 DNA 내 변형기 도입 방법의 난이도를 낮추어 DNA 공학의 발전에 기여할 수 있을지에 대한 것이었습니다. 현재 DNA 수식 (modification) 방법은 유기화학 합성 과정에서 이루어지거나 중합효소를 이용한 '합성 후 수식' (post-synthetic modification) 방법으로 나누어집니다. 전자는 이미 상업화된 변형 핵염기에 한에서 가능하며, 후자는 변형기 도입을 위한 주형가닥 (template) 설계의 기술적 어려움과 주형가닥 제거 과정이 추후 필요하다는 단점이 있습니다. 여기에서 우리는 실험실 규모의 맞춤 변형기 도입이 가능한 '합성 후 수식' 방법에 주목했고, 주형가닥 없이 중합반응이 가능하여 변형 핵염기의 선택이 자유로운 Terminal deoxynucleotidyl Transferase (TdT)를 이용했습니다. 단, TdT 효소의 작동원리 상 nucleotide가 연속 도입되고 도입 개수를 제어하기 어려운 문제가 발생하는데, 특히 이러한 현상은 반응성 핵염기 도입의 경우 제어하기 힘든 가교결합 반응을 일으키므로 더욱 문제가 됩니다.

우리는 TdT의 연속도입 현상을 억제하기 위해 기질로 사용된 rNTP와 붕산 (boric acid)의 착물 형성 현상을 이용했습니다. 붕산(boric acid)은 인접한 두개의 OH기 (diol group)를 가지는 화합물과 반응하여 착물을 형성하는 특성이 있습니다. 붕산을 포함한 반응버퍼를 사용함으로써 nucleotide의 리보오스와 착물을 형성하고 TdT 효소의 기질 접근성과 반응속도를 낮추어 ssDNA의 3'말단에 단일 변형기를 도입할 수 있었습니다. 본 반응은 일반 핵염기 (Adenine, Guanine, Uracil)는 물론 연구실 자체제작 반응성 핵염기 (Oxanine)와 3종의 상용 핵염기 (Biotin-U, Aminoallyl-U, N6-propargyl-A)를 대상으로 성공하였고 동일 원리에 의해 TdT의 기질로 인식되는 모든 nucleotide에 적용 가능할 것으로 보입니다.

Nucleotide-붕산 착물 형성에 의한 TdT 효소 기반의 DNA 올리고머 수식 방법은 농도 의존성의 가역적인 붕산 결합을 이용하므로 탈염과 버퍼전환 과정을 통해 DNA 결과물의 3' OH 말단에 결합된 붕산 이온을 쉽게 제거할 수 있습니다. 이에 따라, 프라이며 연장기법이나 라이게이션과 같은 추가 효소처리 과정의 접목이 가능한 장점이 있습니다.

우리는 변형 염기의 종류에 제약 받지 않고 정량적이며 추가 효소적 기법의 도입이 가능한 DNA 변형기 도입 기술을 개발했습니다. 무엇보다 방법 상의 간편함이 가장 큰 매력이라고 할 수 있습니다. DNA 공학의 발전에 있어 DNA 변형 기술은 천연 DNA의 한계를 극복하는 가장 적극적이고 효과적인 수단입니다. 풍성한 DNA 공학의 열매를 맺는데 우리가 개발한 기술이 밑거름이 되기를 희망하고 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

제가 속해 있는 나노 및 인공생명공학연구실 (NABL)은 백승필 교수님의 지도 아래 다양한 생물유래 재료들의 가능성을 시험하고 있습니다. 다루는 재료들은 앱타머와 구조형성 DNA 부터 실리카 형성 촉진 펩타이드 및 폴리머와 세포에 이르기까지 다양하며, 분자 수준의 디자인부터 스크리닝까지 폭넓은 연구 방법을 동원합니다. 연구실의 각 구성원들은 다양한 접근방식으로 '재생의료' 기술과 '첨단의약품' 개발에 몰두하고 있습니다.

연구실 원년 멤버로서 NABL의 자랑거리를 하나 든다면 단연코 자유롭고 개방적인 연구실 분위기일 것입니다. 이는 교수님과 연구원 모두가 일궈온 성과로써, 동료 간의 자연스런 교류를 만들어 사고의 틀에서 벗어나기 쉬운 환경과 상호 연구주제 간 연결의 기술을 배울 수 있는 기회를 만들어 냅니다. 연구실의 넓은 연구 스펙트럼을 잠재력으로 전환해주는 원천이라고 생각합니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

지도교수님께서 평소 연구활동의 자유를 최대한 보장해주시는 편입니다. 그만큼 실패도 많이 하지만 다양한 시도를 통해 풍부한 경험을 쌓는 보람이 있습니다. 현 단계에서 연구에 대한 자부심을 이야기하긴 이른 느낌입니다. 그보다는 지금까지 쌓아온 경험을 서로 연결시키는 재미를 느끼고 있습니다. 소개한 논문에서 효소반응 억제에 붕산 착물을 이용하는 아이디어가 하나의 예입니다.

전문성을 갖추어 가며 '아는 만큼 보인다'는 말이 점점 크게 와 닿습니다. 현상을 객관적으로 깊이 보는 습관을 일찍부터 가졌더라면 실패의 빈도도 적고 얻은 지식의 폭도 컷을 것 같습니다. 그래도 늦었다고 생각할 때가 가장 빠른 것이겠지요.

4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

이번에 소개해드린 부분은 DNA 변형기 도입 기법에 대한 부분입니다. 향후, 이를 이용한 DNA-펩타이드 복합 재료의 제작과 첨단약물로의 활용성에 대한 연구로 확대해 나가고자 합니다. 한편, 장기적 안목을 갖고 Wire-frame 기반 DNA 플랫폼 제작 기술 연구도 병행하고 있습니다.

5. 다른 하시고 싶은 이야기들....

지금 저의 성장 단계는 열정으로 해오던 일들이 재미로 전환되는 과도기인 것 같습니다. 현재 얻은 최선의 결과물은 다음 작품을 위한 습작이라는 생각으로 꾸준히 발전하고자 합니다. 그리고 앞으로 연구 철학을 공유할 동료를 많이 만났으면 하는 바람입니다.

 

 등록일 2019-08-13
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