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접는 DNA 기술 개발 원하는 형태의 나노구조체 제작

접는 DNA기술로 제작한 나노구조체, 세포 내 약물 전달 효과 높인다.
 DNA 접기 기술로 세포 내 침투 효과 높이는 형태의 나노구조체 제작
 향후, 다양한 형태의 DNA 나노구조체로 약물전달체, 암 치료제 등에 활용

인류의 평균 수명이 늘어나면서 질병과 건강에 대한 관심이 높아지고 있다.  ‘암’(Cancer) 질환과 관련하여 국내 성인 3명 중 1명이 암을 겪는다는 통계에서 볼 수 있듯, 암은 흔한 질병이 되었으며 치료를 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 특히 나노구조체를 이용한 암 치료제가 암 세포에 효과적으로 전달되도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 국내 연구진이 DNA를 접는 기술을 개발, 원하는 형태의 DNA 나노구조체를 제작하여 효과적인 세포 암 치료의 가능성을 주목받고 있다. 

한국과학기술연구원(KIST) 의공학연구소 류주희 박사팀은 다나파버 암 연구소(Dana-Farber Cancer Institute) 윌리엄 시(William Shih) 교수 연구진과 공동연구를 통해 DNA 접기 기술을 개발하여 기존의 나노구조체 제조방법으로는 만들기 어려운 다양한 형태의 DNA 나노구조체를 제작했다. 또한 공동연구진은 이 기술로 정교하게 제작된 여러 형태의 나노구조체들의 세포 침투도를 분석했다고 밝혔다.

최근 학계의 연구결과에서는 나노구조체의 모양과 크기에 따라서 세포에 침투할 수 있는 성질이 크게 달라진다는 점이 대략적으로 밝혀졌으나, 이 나노구조체를 원하는 모양과 크기로 만들기가 매우 어려워서 정교한 연구를 수행하기는 어려운 실정이었다.

연구진이 개발한 DNA 접기 기술은 뼈대가 되는 하나의 긴 DNA에 상호보완적인 여러 개의 짧은 DNA들을 이용하여 종이접기 하듯이 접어서, 원하는 형태의 나노구조체를 만드는 것이다. DNA 가닥들이 결합을 통해 이중나선을 형성하면서 특정형태를 이루는데, 다양한 형태의 구조체를 수 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기로 정밀하게 만들 수 있다. 정교한 제어를 통해 만들어진 DNA 나노구조체는 뛰어난 생체 적합성 등으로 약물전달체로서 밝은 전망을 가지고 있다.

연구진은 11가지 종류의 서로 다른 크기와 모양을 가진 DNA 나노구조체를 제작하여 다양한 세포에 침투시키는 실험을 진행했다. 그 결과, 모든 세포에서 나노구조체의 조밀함*이 높을수록 세포로의 침투도가 높아지는 것을 확인하였다. 구조체의 내부가 채워져있는 조밀함이 높은 나노구조체(L-block, 그림 1 참조)의 경우 같은 무게의 대조군에 비해 15배 이상 향상된 세포 투과도를 나타내었다.
*조밀함(compactness) :  부피에 대한 표면적의 비율

KIST 류주희 박사는 “이번 연구 결과로 DNA 접기 기술을 통해 세포 침투 능력이 우수한 나노구조체를 제작하는 것이 가능해졌다. 향후 이 기술로 DNA 나노구조체가 암 치료제와 같은 약물 전달을 위한 전달체로 활용되는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

다나파버 암연구소(Dana-Farber Cancer Institute)는 하버드 의대 부속병원으로 세계적으로 유명한 암전문 병원이다. KIST는 DFCI와 지속적으로 공동연구를 해왔으며, KIST의 약물전달기술을 DFCI의 임상적으로 유용한 치료타겟에 적용해보는 것을 목표로 공동연구 확대 발전을 위해 KIST-DFCI 현지 랩을 3 년째 운영하고 있다.
 
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Nano Letters’ (IF : 12.712, JCR 분야 상위 3.45%) 최신호에 게재되었다.

 * (논문명) Modulation of cellular uptake of DNA origami through control over mass and shape
   - (제1저자) Maartje Bastings, Frances Anastassacos, Nandhini Ponnuswamy
               (Dana-Farber Cancer Institute, Post-doc 및 박사과정 학생)
   - (교신저자) 한국과학기술연구원 류주희 선임연구원
               William Shih (Dana-Farber Cancer Institute, Professor)

□연구결과 개요

치료 약물을 보다 효율적으로 세포내로 전달하기 위하여 나노구조체를 이용한 약물전달 연구가 활발하게 진행되어 있다. 특히 나노구조체를 이용하여 기존에 개발된 암 치료제를 보다 효과적으로 암세포에 전달하고자 하는 연구가 계속되고 있다. 이러한 나노구조체를 이용한 약물전달기술은 신약개발에 대한 비용보다 훨씬 저렴하면서도 효과적인 치료효과와 부작용의 감소효과를 동시에 기대할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이를 위해 나노구조체의 세포내 투과를 증진시키기 위한 다양한 연구가 진행되어오고 있다. 그중에 나노구조체의 모양 및 크기가 나노구조체의 세포내 투과에 커다란 영향을 준다고 알려져 있다. 그러나 나노구조체의 모양 및 크기가 세포내 투과에 미치는 연구를 정교하게 진행할 수 있도록 하는 도구, 즉 모양 및 크기가 정교하게 제어될 수 있는 나노구조체를 만드는 것은 매우 어렵다.

DNA 접기 기술을 사용하여 기존의 나노구조체 제조방법으로는 만들기 어려운 다양한 형태의 DNA 나노구조체를 만들었다. DNA 접기 기술은 뼈대가 되는 하나의 긴 DNA에 상보적인 여러 개의 짧은 DNA들을 이용하여 종이접기 하듯이 접어서, 원하는 형태의 나노구조체를 만드는 것이다. 이 기술을 통해 다양한 형태의 구조체를 수 나노미터 크기의 정밀도로 만들 수 있다. 여기서는 DNA가 유전정보를 담고 있는 유전매체가 아니라 구조체를 만들기 위한 재료로 사용된다. 뼈대가 되는 하나의 긴 DNA에 상보적인 여러 개의 짧은 DNA들을 넣어주면 DNA 가닥 사이에 상보적인 결합을 통해 이중나선을 형성하면서 특정 형태를 이룰 수 있다. DNA가 가지고 있는 정교한 제어를 통해 만들어진 DNA 나노구조체는 태생적으로 가지고 있는 정교함 및 생체 적합성 등으로 인해 약물전달체로서의 밝은 전망을 갖추고 있다.

다양한 크기와 모양을 갖는 11가지의 DNA 나노구조체를 제작하여 다양한 세포에서 세포내 투과를 분석하였다. 그 결과 모든 세포에서 나노구조체의 조밀함(compactness)이 높을수록 세포로의 침투도가 높아지는 것을 확인하였다. 조밀함이 높은 구조체 (L-block)의 경우 같은 무게의 대조군에 비해 15배 이상 향상된 세포 투과도를 나타내었다.

본 연구는 다른 나노구조체의 세포내 투과를 연구하는데 도움이 될 뿐만 아니라 DNA 나노구조체를 약물전달체로 활용하는데 큰 도움이 될 것이다.

□용어 설명

1. DNA 접기 기술
 ○ DNA 접기 기술은 기존 나노 구조체 합성 공정으로는 만들기 어려운 다양한 형태의 나노구조물을 DNA의 염기쌍 형성 (base-pairing)을 통하여 수 나노미터 수준의 정밀도를 가진 나노구조체로 만드는 기술이다. 여기서는 DNA가 유전정보를 담고 있는 유전매체가 아니라 구조체를 만들기 위한 재료로 사용된다. 뼈대가 되는 하나의 긴 DNA에 상보적인 여러 개의 짧은 DNA들을 넣어주면 DNA 가닥 사이에 상보적인 결합을 통해 이중나선을 형성하면서 특정 형태를 이룰 수 있다. 

□그림 설명

<그림 1>
 KIST-다나파버 암연구소 공동연구진이 개발한 DNA 접기 기술로 만들어진 다양한 크기와 모양의 DNA 나노구조체. (대조군 2개를 제외한 9개의 구조체만 표현)
  - 세포 내 투과에 영향을 미치는 나노구조체의 영향을 분석하기 위해 크기와
    모양을 비교할 수 있도록 각각 다양한 형태의 나노구조체를 제작
    ※ 네모박스는 각각의 나노구조체를 투과전자현미경으로 관찰한 실제 투과 이미지
  - 11가지 나노구조체의 조밀함(Compactness, 부피에 대한 표면적의 비율), 비율(Aspect           ratio, 구조체의 가장 긴 길이/가장 짧은 길이, 원의 경우 1) 등을 계산해서 이러한 수치       중 어떤 수치가 세포내 침투도와 가장 큰 상관이 있는지 분석하였고, 그 결과        나노구조체의 조밀함(나노구조체의 내부가 비워져있느냐 or 채워져있느냐)이
     세포 내 침투도와 가장 큰 상관이 있다는 것을 확인


◇류주희 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 류주희
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 의공학연구소 테라그노시스연구단           (선임연구원)
 ○ 전 화 : 617-991-7969
 ○ e-mail : jhryu@kist.re.kr

2. 학력사항
 ○ 1997 ~ 2002 서울대학교 공과대학 응용화학부 학사
 ○ 2002 ~ 2004 서울대학교 공과대학 응용화학부 석사
 ○ 2010 ~ 2014  서울대학교 공과대학 화학생물공학부 박사

3. 경력사항 
 ○ 2004년 8월 ~ 2007년 1월  아모레퍼시픽 R&D 센터, 나노텍연구팀 연구원
 ○ 2007년 1월 ~ 2015년 2월  한국과학기술연구원, 의공학연구소, 연구원
 ○ 2015년 3월 ~ 현재         한국과학기술연구원, 의공학연구소, 선임연구원
 ○ 2016년 1월 ~ 현재         한국과학기술연구원
                              KIST-DFCI 현지랩(미(美)보스턴 소재) 책임자
                   

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