37℃에서 30분 만에
코로나 변이까지 찾는 분자진단 기술
건국대학교 생물공학과 박기수 부교수
코로나 변이까지 찾는 분자진단 기술
건국대학교 생물공학과 박기수 부교수
세포 속 핵산과 단백질 등 다양한 분자 수준의 변화를 수치나 영상을 통하여 검출하는 분자진단 기술은 암을 비롯한 질병은 물론 바이러스와 박테리아 감염을 보다 빠르고 쉽게 조기진단하여 병의 효과적인 치료를 돕는 일등공신입니다. 코로나19 팬데믹은 분자진단의 한 종류인 PCR 검사를 널리 알리는 계기가 되기도 했는데요. 2023년 글로벌 분자진단시장이 약 220.3억 달러 규모에 이를 것으로 전망되는 등 기술과 시장이 빠른 속도로 발전하고 있습니다. 건국대학교 생체분자공학 및 진단연구실 박기수 교수는 핵산(DNA나 RNA)을 비롯해 단백질 및 세포 내 대사체(metabolome) 분석을 통해 체외진단의 기술혁신을 꾀하는 신진연구자입니다.
연구자의 길
생체분자를 이용해 다양한 유해물질 및 바이오 마커*를 진단하는 다양한 연구를 수행해 오셨습니다. 독자들에게 교수님의 연구 주제를 소개해주세요.
핵산(DNA, RNA)은 우리 몸에서 유전정보의 저장과 전달, 그리고 발현을 담당하는 물질인데요. 핵산의 새로운 특성을 밝히는 기초연구부터 생체 내 존재하는 다양한 분자를 공학적으로 응용하여 진단, 검출, 치료에 활용할 수 있도록 확장하는 연구도 진행하고 있습니다. 특히 혈액, 타액(침), 소변 등에 존재하는 바이오 마커를 분석해 암 등 질병의 진행을 실시간으로 추적하는 액체생검 등 핵산 기반의 민감하고 정확한 진단시스템을 개발하는데 주력해 왔습니다. 더불어 감염병 뿐 아니라 유전병, 암을 비롯해 중금속, 농약과 같은 유해요소 등을 분석하는 분자진단툴 개발에도 매진하고 있습니다.
*바이오마커: 단백질이나 DNA, RNA(리보핵산), 대사 물질 등을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표.
생명공학 분야 중 진단기술에 관심을 갖게 된 계기가 있나요?
학창시절부터 생물 과목에 관심이 많았어요. 제가 어릴 때 아버지가 암으로 돌아가셨는데, 그래서인지 막연하게 어른이 되면 보건/의료 쪽으로 도움을 주는 사람이 되고 싶다는 마음이 있었던 것 같아요. 대학에서 화학공학을 전공하며 생물, 바이오 분야에 광범위하게 흥미를 갖게 되었고, KAIST 대학원에 진학하며 본격적으로 핵산을 이용한 진단 연구와의 인연이 시작됐습니다.
교수님만의 연구주제를 찾기까지, 독립 연구자로 성장하며 걸어온 길도 소개해주세요.
대학원에서는 핵산을 주제로 등온증폭 기반의 진단 기술 연구를 진행했습니다. 이후 하버드의과대학에서 박사후연구원을 했는데요. 지도교수님 중 한 분이 임상의이면서 공학적 연구를 했어요. 당시 엑소좀 관련 연구와 함께 임상샘플을 다루는 연구를 시작해 독립연구 주제를 시작하는 기반을 다졌습니다. 또 하버드에 있을 때 경북대의대에서 방문연구를 오신 교수님께서 대장암 연구를 하셨는데요. 대장내시경의 경우 진단 정확도는 높지만 일반인들이 쉽게, 자주 내시경 검사를 하기는 어려워요. 그래서 혈액 속 바이오 마커를 분석해 쉽고 간단하지만 정확한 진단이 가능하도록 하는 액체생검 연구에 관심을 가지게 되었고, 현재 관련 연구도 지속하고 있습니다.
내가 하는 연구는?
우수신진연구사업을 통해 ‘암진단을 위한 혈액 검사 기반의 액체생검’연구를 진행 중이시죠? 관련 연구 내용을 소개해주세요.
대장암 진단 효율을 높이기 위한 연구인데요. 다양한 표적분자에 특이적으로 결합할 수 있는 DNA 압타머*를 이용해 바이오 마커를 찾는 데 소요되는 시간과 노력을 획기적으로 단축하고 궁극적으로 빠르고 정확한 진단, 치료시스템을 찾고자 2020년 3월 신진연구과제를 시작했습니다. 과거에는 대장암 세포를 분석해 암을 진단했다면 이제는 혈액 속을 떠다니는 엑소좀*을 이용해 빠르고 간편한 진단과 치료가 진행되고 있습니다. 엑소좀 연구도 지난 10년 많은 진화가 있었습니다. 기존에는 엑소좀에 존재하는 암 바이오 마커를 찾으려면 항체를 A부터 Z까지 하나씩 차례로 확인하며 바이오 마커가 맞는지 아닌지 확인하느라 많은 시간과 노력이 필요했습니다. 지금은 압타머를 찾는 기술로 훨씬 빠르고 쉽게 바이오 마커를 찾을 수 있습니다. 또한, 압타머에 약물 및 나노구조물을 적용하면 치료 방법을 찾을 수 있으며, 등온증폭기술을 활용해 진단도 쉽고 빠르게 할 수 있습니다. 과제는 총 5년간 진행되는 데요. 지난 3년간 세부 연구목표들을 병렬적으로 진행하여 압타머를 찾았으며, 엑소좀 안에 바이오 마커를 분석할 수 있는 등온핵산증폭기술을 개발했습니다.
*압타머(Aptamer): 단일, 이중 나선의 DNA, RNA 형태로 타겟 단백질과의 3차원적 결합을 통해 단백질의 상호작용을 억제하는 생고분자 물질로 다양한 표적분자에 결합할 수 있어 만능포획제(universal capturing agent)로 활용이 가능함
*엑소좀: 세포에서 유래한 나노 단위 크기의 소포로, 세포 간 신호 전달 역할을 함
관련 연구의 일환으로 30분 만에 코로나 검사가 가능한 ‘신규 등온핵산증폭기술(STAR)도 개발하며 많은 주목을 받으셨습니다.
신진연구 과제의 내용 중 하나가 등온핵산증폭기술 연구인데요. 실제 현장에서의 활용을 목표로 코로나19를 검출 타겟으로 설정하고 연구를 진행했습니다. 이번에 개발한 신규 등온핵산증폭기술(STAR)은 반복적인 온도조절 과정 없이 37℃에서 30분 만에 표적 핵산을 증폭시켜 신속 정확하게 진단 할 수 있는 기술입니다. 바이러스를 비롯해 박테리아, 진균 등의 감염을 빠르고 정확하게 확인하는 장점이 있습니다. 현재 코로나19 진단은 핵산 증폭(RT-PCR)을 통한 분자진단법이 이용되는데요. PCR은 온도조절 과정을 통해 유전자를 증폭하는 데 상당한 시간이 소요됩니다. 또한, 정교한 온도조절을 위한 고가의 분석 장치 및 숙련된 기술이 필요해요. 또 RNA를 cDNA로 전환한 후 증폭하기 때문에 DNA에 의한 교차오염 가능성이 높고 이로 인한 위양성 가능성도 높았습니다. 반면 등온핵산증폭기술(STAR)은 RNA를 바로 인식하여 정확한 분석이 가능합니다. 무엇보다 반응 개시 전 온도조절 과정이 필요 없고, 비용이 저렴하며 소형화 현장 시스템의 구현이 용이해 앞으로 신속한 바이러스 뿐만 아니라 박테리아, 암 진단에 활용될 수 있길 기대합니다.
일련의 연구를 통해 우리의 삶에 어떤 기여를 하고 싶으세요?
대학생 때는 이 세상을 바꿀 수 있는 사람이 되고 싶었어요. (웃음) 지금은 제가 하고 있는 진단, 더불어 제가 하고 있는 치료 분야에서 조금이나마 실용적이고, 실질적으로 기여 할 수 있는 연구자가 되고 싶습니다. 특히 대장암의 경우 아직까지 정확하게 진단할 수 있는 바이오마커가 없습니다. 지금 사용하는 마커는 정확도가 낮고요. 지금 하고 있는 연구를 통해 진단의 정확도를 높여 사람들의 삶의 질 향상에 도움을 주고 싶습니다.
나의 원동력, 나의 경쟁력
신임교원 때 베스트티처상도 수상하셨습니다. 교수님의 연구 경쟁력은 무엇인가요?
연구도 교육도 학생들과의 수평적 소통을 중요하게 생각해요. 학생들의 눈높이에 맞춘 교육과 연구는 보다 좋은 연구, 최적의 연구법을 함께 고민하기 때문에 좋은 성과로 이어진 것 같습니다. 베스트티처상은 제가 부임하며 학생의 마음을 이해하고, 수업준비를 열심히 하려고 노력하는 모습이 가상해서 학생들이 좋게 평가해준 것 같아요. 학생들이 질문했을 때 대답을 못하면 교수가 잘 모른다고 할까봐 더 열심히 강의 준비를 했어요.(웃음) 학생들은 틀을 벗어난 참신한 생각을 많이 해요. 아직 연마되기 전 원석 같아요. 일례로 지난 8월 발표한 형광 안정성이 수천 배 향상된 DNA-구리 나노클러스터 합성법 개발 연구도 학생의 관찰력이 좋은 성과로 이어졌습니다. DNA-구리 나노클러스터는 합성이 쉽고 독성이 없다는 장점이 있지만 다른 금속 클러스터에 비해 형광이 오래가지 못하고 20분 만에 사라지는 치명적인 단점이 있었습니다. 이를 극복하기 위하여, 형광이 유지되는 조건의 최적화 및 과당(fructose)의 첨가를 통하여 형광 빛이 108일 동안 지속되는 높은 안정성을 확보할 수 있었고, 향후 형광 이미징, 광학장치, 형광 잉크 등의 다양한 분야로 활용이 가능할 것으로 생각하고 있어 요.
연구자로서 가장 즐겁고 행복했던 순간, 기억에 남는 연구는 무엇인가요?
좋은 결과를 바탕으로 하나의 논문이 완성될 때 가장 행복합니다. 기억에 남는 첫 논문은 대학원 때 DNA와 금속의 상호작용을 이용해 DNA 중합효소 활성을 조절하는 연구였어요. 특정 금속이 들어갔을 때 중합효소가 갈 수 있는 현상을 발견해 분자 스위치 개발의 초석을 마련했다는 평을 받았습니다. 또 박사후과정에서도 2년간 진행한 연구를 바탕으로 논문을 작성했고요. 최근 신규 등온핵산증폭기술(STAR) 개발도 큰 보람입니다.
생명공학자로서 궁극적으로 이루고 싶은 연구 목표는 무엇인가요?
동료선후배 및 인접분야 연구자분들과 공동연구를 통해 보다 깊이 있는 연구를 진행하고 싶어요. 지금은 기초, 응용 R&D를 일차적으로 진행하지만, 중견 과제로 나아갈 때는 실험실에서 개발한 기술을 실제 산업현장, 의료현장에서 활동될 수 있도록 제품화 하고 실용화는 것이 목표입니다. 등온핵산증폭기술(STAR)도 새로운 변이 바이러스 등에 대한 사업화, 기술이전, 기술자문 등을 통해 실질적으로 사용될 수 있길 기대하고요. 이를 위해 STAR 기반의 초고감도 검출 시스템을 구축할 계획이며, 다양한 질병의 조기 진단으로 확장 가능성을 검증하고자 합니다.
그동안 연구자의 길을 걸으며 연구재단과도 인연도 많으셨는데요. 연구재단의 발전을 위해 건의사항 또는 당부의 말씀도 부탁드립니다.
기초연구실 지원사업(BRL)이 개척형으로 확대되는 등 연구재단이 과제 기획에 많은 고민과 노력을 하는 걸 느낄 수 있습니다. 과제 선정과 평가 시스템의 객관화 투명화와 공정성 강화도 마찬가지고요. 국민의 세금으로 진행된 연구성과들이 보다 널리 확산되고 국민들과 소통할 수 있도록 연구성과 홍보의 기회도 마련해주셨고요. 지금도 많이 노력하지만 앞으로도 연구자의 의견에 귀 기울이며 지속적으로 발전하면 좋겠습니다.
내 인생의 등대와 같은 말
With great power comes great responsibility. 큰 힘에는 큰 책임이 따른다! 영화 <스파이더맨> 속 대사입니다. 과학자로서, 교수로서 연구개발과 교육에, 책임감 있게 임하는 사람이 되고 싶어요. ‘노력하는 자는 즐기는 자를 이길 수 없다’는 격언이 있는데요. 저는 꼭 그렇지만은 않다고 생각합니다. 노력은 값진 것이니까요! 저는 천재성은 없지만 스스로 문제를 이해하고, 문제가 해결될 때까지 연구실을 지키며 성장해왔습니다. 얼마 전 유튜브에서 방송인 서장훈 씨가 “그거 다 뻥이다. 즐겨서 뭘 이뤄낼 수 있는 건 단연코 없다고 생각한다”라고 이야기하는 걸 보았습니다. 서장훈 씨는 “농구선수를 하면서 매순간 즐거운 적이 없었다. 다만 최고가 되기 위한 치열한 노력이 있었기에 지금 행복할 수 있다”고 말했어요. 많은 부분 공감이 되어서 학생들이나 후배들에게도 “내 꿈이 확실하고 무언가를 이루고 싶다면 자신을 냉정하게 돌아보고 노력해야 한다”고 이야기하고 싶습니다.
신진연구자 프로필
