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[사이언스] 광합성 통해 스스로 에너지 대사활동 하는 인공세포 구현한 신관우 교수...이 달의 과학기술인상 수상
 
특허뉴스 박진석 기자   기사입력  2019/07/10 [15:45]

 

▲ 식물에서 광합성 단백질과 박테리아에서 광전환 단백질을 추출한 후 세포와 유사한 형태로 재조합하여 인공세포를 제작하였다. 개발된 세포는 빛을 사용하여 스스로 생체에너지(ATP)를 생산하며, 세포의 움직임과 형태를 구성하는 세포골격을 합성하고, 또한 빛에 반응하여 스스로 움직임을 보였다. 이는 마치 원시적 형태의 살아있는 세포와 기능과 형태적으로 매우 유사하다. 살아있는 세포와 기능적으로 가장 유사한 구조를 인공적으로 제작한 것이다.     © 특허뉴스

 

과학기술정보통신부(이하 과기정통부’)와 한국연구재단(이하 연구재단’)은 이달의 과학기술인상 7월 수상자로 광합성 통해 스스로 에너지 대사활동 하는 인공세포를 구현한 서강대 화학과 신관우 교수를 선정했다고 밝혔다.

 

과기정통부와 연구재단은 살아있는 세포와 형태 및 기능이 동일할 뿐만 아니라 광합성 작용을 통하여 스스로 에너지 대사활동을 하는 인공세포를 세계 최초로 개발한 신관우 교수의 공로가 높이 평가되었다고 선정 배경을 설명했다.

 

7월은 복제 양 돌리의 탄생과 국내개발 신약1호가 등장한 달이다. 생명공학 발전에 역사적인 이정표가 있는 7월에 인공세포 연구로 신관우 교수가 이달의 과학기술인상을 수상해 더욱 의미가 크다.

 

2000년대 이후 인공적인 요소를 살아있는 세포에 삽입결합하여 인공세포를 개발하는 연구가 다양하게 진행되었다. 하지만 기존 연구에서는 스스로 대사 활동하는 에너지 전환 체계를 갖추지 못했다. 세포가 에너지를 흡수하고 물질을 전환하는 과정이 매우 복잡해, 이를 인공적으로 구현하는 데 많은 어려움이 있었다.

 

신관우 교수는 실제 세포에서 추출한 단백질을 인공 세포막에 삽입해도 그 기능이 유지된다는 사실에 착안해, 기존 세포에서 막단백질을 추출하고 인공세포막에 삽입시키면 순차적으로 생체 단백질 중합반응을 진행할 수 있다는 가설을 세웠다.

 

신 교수는 식물의 광합성 단백질과 박테리아의 광전환 단백질을 추출하여 스스로 에너지 대사를 할 수 있는 인공 미토콘드리아를 제작하였다. 이어 인공 미토콘드리아를 인공세포막에 삽입하여 골격단백질을 스스로 합성하며 움직이는 인공세포를 제작했다.

 

▲ 에너지를 스스로 만들어내는 식물의 광합성의 원리를 동물세포에 결합해 인공적으로 생명을 만들어 내는 개념을 모식적으로 그린 그림. 빛으로부터 에너지를 받아서 전환된 ATP가 세포의 단백질을 만들어 낼 수 있다는 개념을 적용하였다. 식물에서 광전환 단백질을, 박테리아에서 ATP 생성 단백질을 추출하고, 그것으로 동물의 골격단백질을 하나의 인공세포에서 합성에 성공한 것이다     © 특허뉴스

 

개발된 인공세포는 빛을 사용하여 스스로 생체에너지(ATP)를 생산하며, 세포의 움직임과 형태를 구성하는 세포골격을 합성하였다. 또한 원시적 형태의 세포와 유사하게 빛에 반응하여 스스로 움직임을 보이는 현상이 관찰되었다.

 

 신관우 교수는 실험을 통해 인공세포가 최대 30일간 스스로 에너지를 만들고 기능을 유지함을 증명했다.이러한 일련의 연구 성과는 생명과학 분야의 세계 최고 권위 학술지 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)’의 표지논문으로 게재되었다.

 

신관우 교수는 식물과 박테리아에서 주요 단백질들을 추출하여 인공적으로 만든 세포막에서 서로 신호를 주고 받으며 자연에서와 같은 에너지를 스스로 만들어내는 최초의 인공세포를 만들었다, “자연의 모든 생명체가 일상적으로 구현하는 생화학적 원리와 현상을 세포와 유사한 공간에서 실험으로 구현한 새로운 연구성과라고 수상 소감을 밝혔다.

 

이달의 과학기술인상은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.

      

<이 달의 과학기술인상 수상한 신관우 교수 인터뷰>

 

광합성 통해 스스로 에너지 대사활동 하는 인공세포 세계 최초로 개발하다

 

199675일 세계 최초의 복제 양 돌리가 탄생했다. 2000626일 국립인간게놈 연구원은 인간의 설계도라 할 수 있는 인간게놈지도의 밑그림을 완성했다. 그리고 약 20년 후 보다 근본적인 생명 현상 규명에 나선 서강대 화학과 신관우 교수가 스스로 에너지를 만드는 인공세포 구현에 성공했다. 자연의 모든 생명체가 일상적으로 구현하는 생화학적 원리와 현상을 실험을 통해 구현한 독창적인 연구의 결실은 그가 이달의 수상자로 선정된 배경이기도 하다.

 

인공세포 개발은 광합성의 원리, 박테리아의 구조, 세포의 대사활동 등 자연의 모든 생명체가 일상적으로 구현하는 생화학적 원리와 현상을 세포와 유사한 공간에서 실험으로 구현한 최초의 성과다. 관련 연구성과는 생명의 신비를 조금이나마 과학적으로 이해할 수 있는 단초가 되었으며 앞으로 신약실험, 질병치료 연구의 새 장을 열 것으로 기대 받고 있다.

 

실제 세포를 만들어 보겠다는 생각은 처음에는 꿈이었지만 이미 시작되었고, 앞으로 수많은 후속 연구로 보다 발전해 나갈 것이다. 오늘도 생명체의 본질을 탐구하는 과학기술인 신관우 교수의 연구 이야기를 소개한다.

 

▲ 서강대학교 화학과 신관우 교수     © 특허뉴스

 

Q. 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감 부탁드립니다.

 

A. 인공세포라는 새로운 분야 연구에 도전할 수 있도록 지원해 주신 과기정통부와 연구재단에 먼저 감사드립니다. 저를 믿고 오랜 기간 공동연구를 수행하며 함께 고민해 준 서강대 정광환 교수, 성균관대 안태규 교수, 하버드의 연구진, 그리고 누구보다 본 연구의 모든 실험을 주도적으로 수행해준 이길용 박사께 감사드립니다. 연구결과는 논문으로 결실을 보기에 논문에 참여한 분들이 주목을 받고 있지만, 실제로는 아이디어를 도출하고 연구기반을 만들어 낼 수 있도록 수많은 기초연구를 함께 수행해준 제자들 덕이 큽니다.

 

Q. 교수님은 학부와 대학원 과정 동안 화학, 생물학, 고분자화학, 재료공학 등 다양한 기초과학의 학술적 배경을 쌓아오셨는데요. 궁극적으로 인공세포에 관심을 갖게 된 계기가 궁금합니다.

 

A. 바이오 계면 분야에 관심을 갖고 그중에서도 생체 계면의 구조 분석 연구를 수행해 왔습니다. 교과서에는 광합성의 원리, 박테리아의 구조, 세포의 대사활동 등 자연의 모든 생명체가 일상적으로 구현하는 생화학적 원리와 현상을 매우 명확하게 설명되어 있습니다. 하지만 이 같은 자연의 반응을 기존의 기술로는 실험실에서 구현할 수 없다는 사실이 제가 연구를 시작하게 된 동기입니다. 실제 세포를 만들어 보겠다는 생각은 처음에는 꿈이었지만 이미 시작되었고, 앞으로 수많은 후속 연구로 진행될 것입니다.

 

Q. 최근 스스로 에너지 대사를 하는 인공세포를 구현하며 학계의 주목을 받았습니다. 관련 연구 성과도 소개해주세요.

 

A. 지금까지 세포를 구성하는 수많은 세포막 인지질, 세포막 단백질, 효소나 신호전달 물질 등에 대한 개별 연구는 많이 진행되었습니다. 그러나 이러한 세포를 구성하는 분자들이 살아있는생명체가 되기 위해서는 수많은 생화학적 과정으로 연결되고 제어되어야 합니다. 또 이들 과정마다 생체에너지(ATP)가 필요합니다. 식물은 광합성을, 동물은 음식물 섭취를 통해 이러한 과정을 유지합니다. 즉 스스로 에너지를 생산하는 것은 생명현상의 가장 중요한 과정 중 하나입니다.

 

이번 실험에서는 식물과 박테리아에서 에너지를 생산하는 서로 다른 단백질을 하나의 공간에 넣고 작동하게 하였습니다. 식물과 같이 빛을 흡수하고, 박테리아처럼 에너지에 반응하는 새로운 생명체를 인공적으로 구현한 것입니다. 생명체가 처음 만들어지는 원시형태의 세포라 할 수 있는데요. 생명체가 스스로 진화한 것처럼 지속해서 기능을 추가할 수 있는 기본 골격이 만들어진 것으로 평가됩니다.

 

Q. 1996년 세계 최초의 복제양 돌리가 탄생하며 유전공학과 질병치료의 전기를 마련 것처럼 인공세포 개발 역시 신약개발과 질병치료의 새 장을 열 것으로 기대 받고 있습니다. 교수님의 연구결과들이 향후 우리 사회에 어떤 영향을 미치게 될까요?

 

A. 우리 논문이 2018년 발표되었는데요. 벌써 스스로 유전자를 합성하거나 단백질을 합성하는 내용의 논문들이 발표되고 있습니다. 세포와 같은 작은 공간에서 빛이나 포도당과 같은 영양분으로부터 단백질을 합성하고, 단백질이 유전자를 복제하여 스스로 분열하게 되면 결국 생명체와 거의 흡사한 형태의 세포가 만들어 질 수 있습니다. 최근 합성생물학은 이러한 생명체를 만들기 위한 수많은 연구가 진행되고 있고, 이러한 것들이 오케스트라와 같이 조화롭게 결합되면, 사람이 생명체를 만들 수 있는 단계까지 갈 수 있을 것으로 기대해 봅니다.

 

Q. 진일보된 인공세포는 어떻게 활용할 수 있을까요?

 

A. 우리가 상상하는 것과 같이 생명체와 유사한 인공세포를 만들 수 있다고 하더라도, 아주 기초적인 연구에 불과합니다. 이것은 실제 고등세포가 수행하는 수많은 대사활동 중 극히 일부에 해당합니다. 그러나 생명체가 어디에서 왔고 어떻게 진화해 왔는지를 이해하고, 궁극적으로 생명의 신비를 조금이나마 과학적으로 이해할 수 있는 큰 역할을 할 것이라고 확신합니다. 이러한 연구들은 생명의 존엄성을 갖고, 의학적으로 유익한 방향으로 활용될 것으로 생각합니다.

 

Q. 최근 세계적으로 인공세포와 관련해 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 국내외 연구 중 교수님이 흥미를 끄는 연구, 또는 주목해야 할 이슈가 있다면 소개해주세요.

 

A. 인공세포 연구가 원초적인 생명현상을 구현하는 복합적인 연구라는 점에서, 최근 집단적인 인공세포 센터의 설립소식이 주목받고 있습니다. 일례로 영국의 Imperial 대학과 킹스칼리지는 ‘FABRICELL’이라는 연구센터를 만들었는데요. 세포막-단백질-유전자 등 관련 분야 30개 연구그룹을 단일한 센터로 묶은 지 얼마 되지 않아 살아있는 세포와 인공세포막을 결합해 연구결과를 내고 있습니다. 이스라엘 테크니온의 연구자들도 인공으로 만든 세포를 암치료에 활용하겠다는 계획을 발표했는데요. 하나의 인공세포 반응 관찰에 필요한 전문적인 현미경조차 없어서 다른 기관의 장비를 빌려 쓰는 우리의 현실과 비교되기는 하지만, 새로운 아이디어로 데이터를 축적하기 위한 자극으로 이해하고 있습니다.

 

Q. 앞서 공동연구자들에 대한 감사의 말씀을 전하셨는데요. 인공세포 개발을 위한 학제한 융합연구의 중요성에 대해서도 한 말씀 부탁드립니다.

 

A. 한 연구 집단이 수행할 수 있는 연구 범위는 전문성의 범위와 다름없습니다. 특히 최근 연구들은 기존의 화학-생물학, 그리고 자연과학과 공학의 틀을 넘어서야만 새로운 아이디어가 나오고, 실제 연구성과가 나올 수 있습니다.

 

이번 연구도 생명과학, 에너지과학, 그리고 생명공학의 우수한 인력들이 함께했는데요. 각 전문분야의 연구자들이 하나의 목표를 향해 협업하는 동시에 서로의 의견을 경청하고 조율하는 과정을 거쳤습니다. 화학적으로는 가능함을 확인했지만, 실제 세포가 빛에 반응하여 움직임을 보이는 영상을 촬영하는 데만 2년이 걸렸습니다. 그 과정에서 연구결과를 분리하여 발표하자는 각 연구팀들의 의견을 조율하고, 연구의 완성도를 높이기 위해 함께 토론하고 성과를 공유하며 연구의 결실을 보았습니다.

 

Q. 교수님이 몸담고 계신 서강대 바이오계면연구소에서도 다양한 융복합 연구가 진행되고 있지요?

 

A. 세포를 포함해 생체 내 대부분의 생물학적 혹은 화학적인 반응은 그 구조가 다른 물질과 맞닿아 있는 계면에서 일어납니다. 따라서 반응이 일어나는 계면은 물질 내부와 비교하여 분자들의 구성이나 특성이 특별합니다. 또 계면을 구성하는 분자들의 배향 차이로 성질이 변화하는데요. 인공세포도 세포막이라고 하는 계면에 배향된 에너지 전환 단백질이 외부의 빛을 받아서 세포가 활용할 수 있는 물리적인 에너지를 생산하는 것입니다. 바이오계면연구소는 서강대학교 자연대학과 공과대학 교수들이 함께 이러한 자연계에 존재하는 다양한 계면의 구조와 특성을 연구하고 이를 통한 응용기술 개발을 목표로 2010년 설립되었습니다. 작년에 연구재단의 중점연구소에 선정되어 박사급 전임 연구원 5명과 학연과정을 운영하고 있으며, 학부 인턴십 등을 통해서 바이오 계면에 관한 연구를 진행하고 있습니다.

 

Q. 창의적 연구와 더불어 대학원생과 학부생 교육을 위한 프로그램 개발과 실험실 운영 등 후학 양성에도 큰 노력을 기울이시는 것 같습니다.

 

A. 공동연구를 위해 학생들과 해외 유수 대학에 다녀오곤 하는데요. 다시 한국의 실험실로 돌아오면, 한국의 대학원생들이 정말 어려운 환경에서도 열심히 연구하고 있다는 생각이 절로 듭니다. 대학의 경쟁력을 교수들과 학생들의 노력으로 평가하지만, 실제로는 연구할 수 있는 환경이 경쟁력을 만든다고 생각합니다. 실험실 환경은 제가 공부하던 1990년대와 별다른 차이가 없지만 첨단연구가 가능한 것은 이러한 시설과 시스템을 노력으로 만들어 내기 때문이지요. 연구에만 집중할 수 있는 실험환경과 공간을 만들어주지 못하는 미안함만 있을 따름입니다.

 

학생들에게는 항상 스스로 리더가 되라는 이야기합니다. 동일한 비중으로 공동연구를 수행해도, 처음에 나온 작은 연구성과를 바탕으로 결과를 이끌어나가는 것은 리더십에서 나옵니다. 지금은 스스로 수동적이라고 생각할지라도, 사회에 나가면 언젠가는 누군가를 이끌어주는 책임자가 되겠죠. 때문에 저는 실험실이라는 작은 공간, 작은 사회에서도 리더가 될 마음가짐으로 책임과 사명감을 갖고 일을 주도하기를 항상 강조합니다.

 

Q. 연구자로서 귀감으로 삼으시는 인물이나 스승이 계신가요?

 

A. 석사 때 지도 교수이셨던 KAIST 김만원 교수님과 박사 지도교수이셨던 뉴욕주립대 라파일로비치(Rafailovich) 교수님을 소개하고 싶습니다. 두 분 모두 물리학을 전공하신 분들이십니다. 두 분의 스타일이 매우 다른데요. 김만원 교수님은 학생들이 주제를 찾고 결과를 낼 때까지 기다려주셨고, 라파일로비치 교수님은 처음부터 끝까지 정확하게 방향과 결과를 예측하셨습니다. 감사한 점은 공부 시작부터 끝까지 연구자의 길을 가라고 격려해주시고 길을 열어주셨습니다. 제 어릴 적 꿈은 과학자가 아니었는데, 두 분의 지도 아래 과학자의 길을 걷게 되었습니다. 어려움이 있을 때마다 두 분은 어떻게 생각하고 행동했을까 마음에 그려보면서 제 제자들을 바라봅니다. 두 분은 뛰어나지 않은 저를 과학자로 만들어주셨는데, 저보다 훨씬 뛰어난 제자들에게 기회를 못 만들어 주는 것 아닌가 하면서 미안함도 갖게 됩니다.

 

Q. 앞으로 교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 연구성과는 무엇인가요?

 

A. 인공세포 연구를 시작하기 전인 2008년 중고등학교 학생들 앞에서 대중강연을 한 적이 있었는데 그때의 주제가 사람이 만드는 세포의 꿈이었습니다. 그로부터 딱 10년 만에 이번 논문이 마무리되었습니다. 아마 이와 관련된 후속연구의 성과가 나오려면 아마 다시 10년이 걸릴지도 모릅니다. 제 꿈은 좋은 논문을 내는 것이 아닙니다. 아무도 알아주지 않는 연구결과라도, 아무도 시도해보지 않은 완전히 새로운 연구주제를 제가 주도적으로 찾는 것입니다. 아직도 그 주제를 찾지 못했습니다. 자유롭게 생각하고 작은 것에서 의미를 찾는 노력을 더 하고 싶습니다.

 

Q. 미래 과학자를 꿈꾸는 어린 학생들에게 한 말씀 부탁드립니다.

 

A. 제가 공부해온 과정은 남들에게 자랑할 만한 모범이 아닙니다. 어릴 때의 꿈도 과학자가 아니었고, 한 분야를 열심히 연구한 것도 아닙니다.

 

대학 때 생물학과에 입학하여, 여러 계기로 화학과로 전공을 바꾸었습니다. 석사는 물리학을 전공한 교수님께 배웠으며, 박사는 재료공학으로 바꾸었습니다. 교수로서의 경력도, 대학과 전공학문도 바꾸어 왔습니다. 전통적인 의미에서 한 분야의 전문가로는 매우 부족합니다.

 

학생들에게 지금의 상태가 미래를 결정하지는 않는다는 것을 알려드리고 싶습니다. 특히 중고생들은 지금의 입시경쟁으로, 혹은 가정형편으로, 혹은 교과과정이나 주변 환경으로 원하는 분야의 과학자의 꿈을 키워나가기 어려울 수 있습니다.

 

수능점수에 맞춰 잘 모르는 학과에 가는 경우도 많고, 또 남들의 권유에 의해서 선택한 길이 실망스러운 경우도 있을 것입니다. 유망한 학과나 학문분야를 전공하지 않아도, 과학자의 길을 갈 수 있습니다. 자연에는 나름의 법칙이 있고, 이 모든 것들은 서로 연관되어 있습니다. 생물학을 해도, 그 속에 물리학이 있습니다. 또 물리학은 전자공학과, 또 화학은 재료공학과 연관되어 있습니다. 대학을 졸업한 후에도 그 분야 속에서 새로운 학문을 찾을 기회가 석사-박사과정에서 있습니다.

 

따라서 사회 일반에서 이야기하는 경제적으로 안정된분야가 정말 내가 좋아하는 분야인지를 고민해 볼 필요가 있습니다. 중고등학교를 거치면서 정말 좋아하는 학문을 할 기회가 없었다면 스스로 선택할 수 있는 두 번째 기회가 왔을


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기사입력: 2019/07/10 [15:45]  최종편집: ⓒ 특허뉴스
 
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