구조생물학을 통한 단백질 기능 규명 및 신약 개발의 중요성과 뇌과학 연구의 발전 및 산업적 가치 doc_id PCY_201504220915095011_12

인간의 질병에 관련하는 중요단백질의 구조가 국내연구진에 의해 규명되어 최고 수준의 학술지에 논문이 발표되었으며 신약개발에 공헌할 정보를 제공하였다. 산소대사에 관여하는 철함유효소의 반응중간체를 규명함으로써 합성체를 만드는 길을 제시하였으며 GPCR의 하나인 메타로돕신 II 및 어레스틴의 구조를 규명하여 시각 신호전달의 원천적 이해에 공헌하였다. 세포의 단백질대사에 중추적 역할을 하는 유비퀴틴 경로의 Atg8 및 단백질분해효소의 구조 연구를 통하여 세포자식작용, 허피스바이러스 조절작용의 기작을 규명하였으며 박테리아가 발효와 산소호흡 사이에서 의사결정을 하는데 관여하는 단백질의 구조를 규명하여 산업적 응용에 중요한 정보를 제공하였다. 또한 진핵생명체의 크로모좀 구조를 유지시키는 중요단백질의 구조가 규명되었다. 중요단백질의 구조적 정보를 활용하여 in vivo에서 단백질의 역동적인 기능을 설명하기 위하여 단분자 FRET 형광기술을 활용한 중요 연구결과들이 발표되었다. 유전자 결손수선 단백질이 유전자를 스캔하면서 형성하는 clamp 의 기작을 설명하였고 단백질의 구조적 역동성이 분자인식에 관여하여 리간드 결합에 필수적인 상승작용을 한다는 것을 규명하였다. 시분해 엑스선 결정학을 이용하여 광활성을 갖는 황색단백질의 발색단에서 일어나는 트랜스-시스 구조변환을 규명하여 발색단과 주변 아미노산 잔기의 수소결합을 규명하였다. 또한 다양한 인간질환에 관여하는 탈인산화 단백질패밀리에 대한 전체적인 구조-기능 연구가 수행되어 선택적인 저해제 및 질병 치료제 개발에 필요한 정보를 제공하였다. 구조생물학은 중요단백질의 구조를 규명해서 생물학적 기능을 설명하는 것에서 발전해서 최근에는 단백질의 기능을 산업적으로 이용하는 바이오신약, 바이오센서, 신소재, 단백질설계 분야에 중요하게 응용되고 있다. 단백질의 기능을 이용하고 유용하게 설계 또는 변형하기 위하여는 원자수준 정보의 확보가 필수적이며 이는 구조생물학의 기법을 이용하는 것에 의해 가능하다. 단백질의 구조분석을 위해서는 결정성장 등을 위해 연구대상 단백질의 물리-화학적 특성, 기능적 특성을 분석하는 것이 선행되어야 할 경우가 많은데 이러한 과정은 항체치료제 등 단백질 치료제/신약을 개발하는 데 필수적인 전문성이어서 제약 및 생명공학 기업에서 적극적으로 활용하고 있다. 최근 국내의 대기업 및 벤처기업에서 바이오시밀러를 필두로 해서 단백질을 기반으로 한 질병치료제를 대량생산 및 산업화 하는데 많은 투자를 진행하고 있다. 이때 필수적인 기술이 단백질의 구조-기능을 최적화 하는 것이다. 뇌는 생명체의 다양하고 복잡한 생명현상을 조절, 제어, 유지하는 중심축으로써 감각, 운동과 같은 유형의 실체를 제어하는 것은 물론 사고, 기억, 감정, 언어에 이르는 고등 인지기능을 총괄적으로 관장한다. 이러한 뇌를 심층적으로 연구하는 뇌과학(neuroscience, brain science)은 뇌신경계의 구조와 기능에 대해 분자세포생물학적 연구는 물론 인지과학적 이해를 바탕으로 고등인지기능의 모델링에 이르기까지 폭넓은 스팩트럼을 가지고 있으며, 신경과 정신의 활동원리를 파악하고, 각종 뇌질환의 병인 규명과 치료제 개발을 가능하게하며 궁극적으로는 인간의 정체성과 본질을 규명하고자 하는 종합학문이다. 최근 뇌과학 분야에서는 뇌의 정교한 유전자 발현 지도가 완성되고(Allen brain atlas), 빛을 이용하여 특정 신경세포만을 선택적으로 활성화시킬 수 있는 광유전학(optogenetics)과 뇌를 투명화하여 3차원적으로 뇌의 신경세포 연결망(connectome)을 정교하게 탐색할 수 있는 CLARITY 등의 새로운 뇌연구 기술이 활발히 개발, 활용되고 있다. 그러나 이러한 기술의 발달이 뇌에 대한 생물학적 이해를 상당히 진전시켰음에도 불구하고 블랙박스라고 여겨지는 뇌에 대한 과학적 설명은 아직까지 풀리지 않고 있는 부분이 많다. 따라서 뇌의 구조와 기능에 대한 심도 깊은 이해와 그 응용기술의 개발은 21세기를 이끌 미래지향적인 성장 동력으로 평가되고 있다. 최근 삶의 질을 중시하는 사회적 분위기에서 우울증, 수면장애의 만연과 노년층 인구의 증가에 따른 퇴행성 뇌질환의 증대는 뇌과학에 대한 사회적 관심을 촉발시키고 있다. 실제로 신경계 질환에 의한 경제적 비용은 작년 한해만 세계적으로 2조 달러 규모로 추정되고 있다. 이러한 현실에서 뇌연구를 통한 각종 뇌질환의 적절한 예방, 치료법의 발견은 학문적으로 뿐만 아니라, 산업적으로나 사회적으로도 매우 중요한 가치를 지닌다고 할 수 있다. 1990년 미국에서 주창된 ʻ뇌의 10년(Decade of the Brain)ʼ 선언 이후 뇌연구는 인류에게 남은 마지막 프론티어 분야로 전 세계적인 화두가 되었고 그 결과 뇌과학은 비약적으로 발전하였다고 평가된다. 그리고 20여년이 지난 지금까지의 뇌연구 지식의 축적과 기술적 진보를 바탕으로, 2013년 현재 미국과 유럽은 각각 BRAIN INITIATIVE와 Human Brain Project를 추진하여 인간 뇌기능의 비밀을 밝히기 위한 대규모 연구 프로젝트(향후 10년간 각각 3.2조원과 1.7조원의 연구비 투입할 예정)에 착수한 상태이다. 이렇듯 뇌과학의 풀리지 않는 문제를 해결하기 위해 전 세계적으로 뇌연구가 국가연구개발의 핵심 연구개발분야로 강조되고 있다. 주요국가의 뇌연구 동향을 보면 다른 분야와 대비하여 정부가 뇌과학 분야의 연구개발을 주도하여 장기적인 뇌연구정책을 수립, 진행하고 있으며 전문적인 뇌연구기관을 운영한다는 점이 특징이다. NeuroInsights(2012)에 따르면 전 세계적으로 신경계 질환으로 인한 경제적 비용이 2.2조 달러 규모에 달하는 것으로 추정되고 있다. 그동안 한국의 주요 제약기업들은 중추신경계 약물 개발에 매우 소극적으로 64건의 개발성과 중 1건에 그치는 실정이었으나, 2012년 현재 전체 개발 과정 약물의 8.1%(38건)가 중추신경계 약물로서 향후 발전 가능성이 기대되고 있다(한국제약산업연구 개발백서, 2012). 신경소자 분야의 경우 미국 등 세계 의료기기 회사들을 중심으로 뇌관련 장비들이 활발히 개발되고 있으나, 국내 연구 및 산업화는 그에 비해 미미한 실정이다. 그러나 최근 국내연구진에 의해 개발된 펄스레이져 활용 신경약물전달기술(KAIST)이나 뇌-기계접속기술(락싸), 인공와우(뉴로바이오시스, 엠아이텍), 심부뇌자극술(엠아이텍) 등 국제적으로 선도적인 기술력을 갖춘 국내 중소기업들이 출현하고 있으며, 다양한 신경보철기 개발 및 상용화의 노력을 꾀하고 있다. 그러나 현재의 미미한 국내 뇌산업 분야의 발전을 위해서는 전략적으로 성장과 투자를 가능케 하는 환경, 즉 기술의 발달뿐만 아니라 기초 및 관련연구에 대한 지속적인 정부와 기업의 투자가 필요할 것으로 사료된다.