단백질 변형(PTM), 대사체학(Metabolomics), 세포 내 신호 전달 및 미생물을 이용한 생물정화 기술 등 생명공학 분야의 다양한 연구 주제와 기술적 발전 doc_id PCY_201504220915095011_14

PTM 분석의 난제는 낮은 stoichiometry이므로, 각 PTM이 지닌 특이적인 물리화학적 성질을 이용하여 특정 PTM 단백질 혹은 펩티드를 농축하는 기술이 활발하게 개발되어 정착되고 있다. 인산화 펩티드 농축기술로는 가장 널리 쓰이는 IMAC이나 TiO2를 이용한 affinity 분리 기술과 SCX 크로마토그래피 활용기술, 그리고 인산화자리의 화학적 변환을 이용한 분리 기술이 있다. 당쇄화에서는 주로 N-linked glycoprotein 분석이 진행되고 있으며, hydrazide resin을 이용한 화학적 농축법과 lectin을 이용한 affinity 기반의 농축법이 대표적으로 활용되고 있다. 특히 최근에는 membrane filter와 lectin affinity 분리를 결합한 FACE 기법이 개발되어 다양한 당쇄화 프로테옴 분석에 적용되고 있다. 최근 소개된 하나의 단백질에 나타나는 복잡한 PTM의 조합을 알아내는 Top-down 프로테오믹스 분석기술이 다양한 PTM 분석에 활용되고 있다. 대사체학(Metabolomics)은 유전자 표현형과 단백체의 분석만으로 해석 할 수 없는 세포내 변화 등의 상관관계를 대사네트워크 전체를 통해 고찰하고, 얻어진 결과를 통하여 최종생성물의 변화량에 대한 원인을 해석하는 유일한 학문으로서, 특정한 생물학적 변화 과정들을 통하여 생성된 저분자 대사체의 프로파일을 체계적이며 종합적으로 연구하는 학문이다. 대사체학 연구는 1960년 후반 크로마토그래피를 이용한 분리 및 정제 기술의 발전에 의해 대사체들의 검출이 가능하게 되면서 본격화되기 시작했으며, 1970년 Arthur Robinson이 비타민 B6를 투여한 후, 뇨시료에서 복잡한 크로마토그래피 패턴들을 분석하고, 이러한 패턴은 뇨 시료 내에 유용한 정보를 가진 수많은 화합물들을 함유하고 있다고 발표하면서 발전되었다. 1990년대 Oliver SG, Winson MK, Kell DB 및 Baganz F등이 ʻʻTrends Biotechnol. 16, 373-378ʼʼ에 효모의 기능을 체계적으로 분석함으로써 처음으로 대사체학이란 용어를 사용하였다. 대사체학은 효소의 농도나 활성이 변하면 이 영향을 받은 대사체 흐름은 대사체 농도의 변화에 있어서 중요한 영향을 끼치게 된다. 즉, 대사체들은 transcription과 translation의 하위단계로써 효소의 활성을 나타내는 좋은 지표(indicator)로 작용할 수 있으므로 대사체의 네트웍(metabolic network)에서 관찰된 대사체들의 변화를 통해서, 대사체들은 생물학적 시스템에서의 변화에 대해 모니터 할 수 있다. 따라서, 유전학, 전사체학 및 단백체학과 더불어 대사 프로파일링을 통하여 얻은 세포 기능에 대한 정보들을 종합하여 복잡한 생명체의 구조를 규명하려는 연구를 시도하고 있다. 대사체학의 연구는 Imperial College의 Nichilson 교수팀이 NMR을 활용한 생체시료내의 대사체 변화를 연구한 논문이 2000년에 ʻʻmetabonomicsʼʼ라는 용어를 사용하면서 생명공학 연구 분야에 적용되기 시작했다. 2004년에는 전 세계 학자들이 ʻʻMetabolomics Societyʼʼ가 결성하여 대사체학의 연구에 다양한 생화학적 방법 및 생명정보학 등을 적용한 연구가 활성화되는 계기가 되었다. 2007년 캐나다의 알버타대 Wishart 교수는 2500개의 대사체, 1200개의 약물 및 3500개의 식품 성분들을 확인한 ʻʻHuman Metabolome Projectʼʼ라는 최초의 인간 대사체군을 발표하였으며, 최근 대사체학은 다음과 같은 다양한 연구 분야에 활용 되고 있다. 즉, 건강 및 질병진단에 있어서 생체지표 선정, 시스템 생물학, 동위원소 이성질체를 활용한 pathway discovery, 신약개발, 그리고 식물, 미생물, 영양학 및 환경 대사체학 등의 다양한 분야에 그 적용 범위를 넓혀가고 있다. 이러한 대사체학 연구는 주로 미국, 유럽, 일본 등 선진국 위주로 연구가 진행되었고, 2007년 이후로 대사체학 연구에 대한 논문 발표 횟수가 증가되고 있는 추세이다. 대부분의 세포내 ROS는 미토콘드리아에서 생성되고, 방사선, 출혈성 쇼크, 노화, 또는 죽음 수용체의 활성화에 의해 야기될 수 있다. 일례로 FAS-associated protein with death domain(FADD)는 caspase 8과 BH3-interacting domain death agonist(BID)를 활성화시킨다. 절단된 BID(tBID)는 cytochrome c를 cytosol로의 이동, apoptosome의 형성, 비가역적 세포사멸을 매개한다. FOS는 cardiolipin과 결합한 cytochrome c를 산화시킴으로써 미토콘드리아 내막으로부터 cytochrome c의 유리를 증폭시킨다. 세포분열, 24시간 주기의 리듬, 면역반응, 세포사멸의 조절과 산화환원 환경과의 상관성은 ROS의 검출과 조절 연구의 산업화 가능성을 증대시켰다. 대부분의 센서는 형광신호(fluorescent sitnaling)에 기초하며, 일부 센서는 ROS외에 다른 세포내 물질을 표적할 수도 있다. 분자 샤프롱은 단백질 성숙에 필수인자로서, 많은 인체 질환의 발병뿐 아니라 단백질 folding, 분해, 수송을 포함한 세포반응에 주요한 역할을 한다. heat shock protein(HSP)은 세포의 열처리에 의해 유도되며, 단백질의 misfolding과 원하지 않은 단백질 응집을 막음으로써 세포보호 반응 기전에 참여하여, 세포사멸(apoptosis) 및 자식작용(autophagy)과 반대로 작용한다. 세포 죽음을 억제하는 HSP는 종종 종양세포에서 과발현되어 있으며, Hsp를 저해함으로써 암세포에 대한 항암제의 감수성을 증진시킬 수 있다. Hsp는 분자량에 따라 Hsp110, Hsp90, Hsp70, Hsp60, hs40 등으로 세분되며, 다른 cofactor나 샤프롱과 함께 다단백질 복합체를 구성하고 발현정도는 상호 의존적이다. Hsp90는 항암타겟으로 많은 주목을 받았으며, 최근에는 Hsp70의 선택적 조절물질에 대한 관심도가 높아지고 있다. 세균과 균류는 다양한 화합물을 분해할 수 있기 때문에, 오염물질의 생물정화에 이상적인 활용방안이다. 또한 활발한 신진대사 능력을 지니고 있고 천연 및 합성화합물을 질소, 탄소, 에너지원으로 이용 가능하다. 이러한 분해 능력에 관여하는 수 백 여개의 유전자 정보들을 이용하여 형질전환 미생물을 개발하고, 이를 생물정화에 적용한다. 생명공학을 이용한 형질전환 기술은 비형질전환 미생물을 생물정화에 이용할 경우 각종 오염물질의 분해 시에 발생되는 한계점들을 개선시킬 수 있는 해결방안을 제시하고 있다. 일반미생물들은 대부분 난분해성 오염화합물을 분해하는데 필요한 대사경로를 갖추고 있지 않다. 그러나 형질전환 기술은 일반미생물들의 이화학적 대사경로를 개선하거나 해당 경로를 확장하여 일반미생물이 분해 할 수 없는 오염물질을 분해 가능하게 할 수도 있으며 특정 오염물질이나 대사산물의 독성이나 미생물 생육억제 작용을 극복하는데도 이용 할 수도 있다.