화학공학소재연구정보센터

DNA 나노구조체로 단백질을 세포 내부에 전달

김학성 교수 (한국과학기술원)
논문명, 저자정보

Programed Assembly of Nucleoprotein Nanoparticles Using DNA and Zinc Fingers for Targeted Protein Delivery
류이슬(KAIST, 제1저자), 강정애(한국원자력연구원, 제1저자), 김다솜(KAIST), 김송래(KBSI), 김성민(강원대), 박승지(강원대), 권승해(KBSI), 김길남(KBSI), 이동은(한국원자력연구원), 이중재(강원대, 교신저자), 김학성(KAIST, 교신저자)

연구의 주요내용
1. 연구의 필요성
최근 세포 내 다양한 질병 표적이 발굴되고 있어 이를 타겟하는 치료제 개발에 많은 관심이 집중되고 있다. 단백질 의약품은 저분자 화합물에 비해 특이성이 매우 높아 치료 효과가 우수하지만 크기나 표면 전하 등의 이유로 세포 내 전달이 매우 제한적이다. 기존의 단백질 전달 방법은 대부분 화학적 소재를 이용하고 있어 높은 독성을 나타낼 뿐 아니라 화학합성으로 인해 균일성이 낮거나 탑재하는 단백질의 양을 조절하기가 어렵다. 따라서 단백질을 세포 내로 효율적으로 전달하고자 다양한 기술 개발이 진행되었지만 아직 해결해야 할 문제가 많은 상황이다.

나노 크기를 갖는 나노 구조체의 이용은 다기능성 등의 여러 가지 장점 때문에 많이 연구되었다. 최근에는 화학소재가 갖는 독성을 극복하고자 생체 적합성이 높은 생체 분자의 자기 조립능을 이용한 나노 구조체가 각광을 받고 있다.

연구팀은 생체 적합성이 뛰어난 DNA와 단백질의 특이적 상호작용을 이용하여 나노 구조체를 개발하였으며, 이를 암 동물모델에 적용하여 높은 전달 효율을 확인하였다.
2. 연구내용
이 연구에서는 DNA와 징크 핑거(zinc finger) 사이의 특이적 상호작용을 이용하여 균일성을 높이고 세포 내로 단백질을 효율적으로 전달할 수 있는 나노 구조체를 개발하였다. 징크 핑거는 DNA의 특이적 염기 서열을 인식하여 결합하는 단백질이다.

구체적으로 먼저, 금 나노 입자 표면에 세포 표적용 생체분자와 치료용 단백질을 결합할 수 있는 DNA를 결합시켰다. 다음으로 서로 다른 DNA 서열을 인식하는 두 종류의 징크 핑거를 세포 표적용 생체분자와 단백질 치료제에 유전적으로 융합한 단백질을 제작하였다. 제작된 융합 단백질은 징크 핑거와 DNA의 상호작용에 의해 특정 DNA에 결합됨으로써 나노 구조체가 제작되었다. 다양한 영상 기법과 분석 방법을 통해 나노 구조체의 형성과 특징을 확인하였고, 탑재된 단백질의 양을 정량적으로 확인하였다.

특히 나노 구조체는 DNA 분자 내 징크 핑거 결합 서열의 개수를 조절함으로써 탑재되는 단백질의 양을 조절할 수 있다. 세포 표적 용 생체분자와 항암 효능이 있는 단백질을 이용하여 나노 구조체를 제작하였고 이를 다양한 세포에 적용하여 나노 구조체의 세포 특이적 전달 및 범용성을 확인하였다. 나노 구조체를 폐암 동물 모델에 적용하여 높은 항 종양 효과를 확인하였다. 나노 구조체는 세포 수준 및 동물 모델에서 독성을 나타내지 않았다.
3. 기대효과
이 연구에서 개발된 생체분자 기반 나노 구조체는 기존의 단백질 전달 시스템이 갖는 문제점을 극복하며 세포 내로 단백질을 효율적으로 전달할 수 있는 새로운 개념의 자기 조립체이다.

개발된 나노 구조체는 다양한 단백질 치료제에 적용 가능한 기반 기술이며 향후 치료용 RNA, 펩타이드에도 활용 가능하기 때문에 다양한 치료제의 임상 개발이 기대된다.
논문의 표지 그림
논문의 표지 그림

금 나노입자를 중심으로 DNA가 연결되어 있고 각 DNA에 단백질이 결합된 형태의 나노 구조체가 생체 내 특정 세포 속으로 전달되는 모습을 보여준다.

나노 구조체 제조 과정 모식도
나노 구조체 제조 과정 모식도

a) DNA 설계 및 (b) DNA와 징크 핑거 단백질을 이용한 나노 구조체의 자기조립 과정이다.

나노 구조체의 현미경 관찰 사진
나노 구조체의 현미경 관찰 사진

원자현미경(AFM, 왼쪽)과 투과전자현미경(TEM, 오른쪽)을 통해 핵단백질 나노입자(개발된 나노 구조체)의 형성 구조를 나타낸다.

나노 구조체의 세포 내 단백질 전달 효과
나노 구조체의 세포 내 단백질 전달 효과

개발된 나노 구조체(NNPs)에 독성을 나타내는 단백질을 결합해 다양한 암 세포주에 적용한 결과, 표적 세포(특이적 세포 수용체가 과발현된 세포주; A431, HCC827, MD468)에서 세포 독성을 나타낸다.

폐암 동물에서 나노 구조체의 항암 효과
폐암 동물에서 나노 구조체의 항암 효과

폐암 동물 모델에서 나노구조체(NNPs)를 처리하였을 때, 대조군(vehicle) 또는 세포 표적용 생체분자가 없는 나노구조체(nt-NNPs)에 비해 매우 높은 항 종양 활성을 나타낸다.

연구이야기
1. 연구를 시작한 계기나 배경은?
약물 전달체로서 다양한 나노 구조체가 연구 개발되고 있지만 실제로 임상 적용까지 가는 예는 많지 않습니다. 나노 소재가 갖고 있는 규명되지 않은 독성과 기존의 화학적 합성법이 그 중 큰 걸림돌이었고 좀 더 생체 친화적인 방법과 소재를 사용하여 이를 해결하기 위한 방법을 연구 하던 중에 자연계에 존재하는 DNA와 단백질 간의 상호작용을 이용한 자체 조립 방법을 대안으로 생각했습니다.
2. 이번 성과, 무엇이 다른가?
이번 연구 성과의 핵심은 기존의 화학적 합성법에서 벗어나 DNA와 DNA 결합 단백질인 징크 핑거와의 서열 특이적 상호작용을 이용하여 새로운 단백질 전달체를 제작하였다는 점입니다. 이를 통해 나노 구조체의 균일성 및 탑재 단백질의 조절이 가능하였고, 나노 구조체는 세포 내 단백질 전달 뿐 아니라 다양한 분야에도 적용가능성이 높습니다.
3. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
개발된 기술이 논문 발표로 그치지 않고 실제 범용적으로 임상에서 적용되는 것이 목표입니다. 이를 위해 실용화를 염두에 둔 소재의 이용 및 이 연구를 확장시켜 다른 응용 가능성을 타진하는 연구를 진행할 계획입니다.