항암면역세포 활성화의 스위치를 규명하다
 

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최근 항암면역세포 중 가장 주목받는 자연살해세포(NK cell)*의 활성을 제어할 수 있는 새로운 원리가 국내 연구진에 의해 규명되어 신개념 항암면역치료법 개발에 가능성을 열었다.
울산대 의대 김헌식 교수(40세)가 주도하고, 미국 국립보건원 에릭롱(Eric Long) 박사가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(신진연구)의 지원으로 수행되었고, 세계 최고의 과학전문지인 ‘사이언스’의 자매지로서 세포신호전달분야의 권위지인 ‘사이언스 시그널링(Science Signaling)’誌에 7월 10일자로 게재되었다. (논문명: Complementary Phosphorylation Sites in the Adaptor Protein SLP-76 Promotes Synergistic Activation of Natural Killer Cells)
기존의 항암제는 세포독성 같은 부작용과 내성발생 시 암의 전이, 재발을 막지 못하는 한계를 보여 새로운 치료법 개발이 절실히 요구되는 상황이었다. 최근 개발되는 항암치료제는 암세포를 선택적으로 파괴하는데 초점이 맞추어져 있으며 이에 부합하는 자연살해세포를 활용한 면역치료법 개발이 활발히 시도되고 있다.
자연살해세포는 다양한 암세포에 대해 선택적인 살해능력을 보여 암세포의 발생, 증식, 전이를 억제할 뿐만 아니라 암의 재발에 중요한 암줄기세포(cancer stem cell)**를 효과적으로 제거할 수 있음이 밝혀졌다.
하지만 자연살해세포의 정확한 활성화 기전이 규명되지 않아 자연살해세포를 새로운 치료제로 개발하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 이는 자연살해세포가 다른 면역세포와 달리 다양한 면역수용체***의 조합에 의한 통합적인 신호전달경로에 의해 활성화되기 때문이다.
이러한 이유로 기존의 자연살해세포를 이용한 치료법은 다양한 성장인자, 염증인자로 자연살해세포를 배양하여 항암활성을 증진시키는 비특이적인 방법에 의존하고 있었다. 하지만 암 종류 및 개인별로 치료효과의 차이가 커 자연살해세포의 정확한 활성화 기전을 바탕으로 항암활성을 최적화할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있는 상황이다.
김헌식 교수 연구팀은 자연살해세포의 활성을 조절하는 핵심제어 단백질(SLP-76****)을 새롭게 규명하여, 이의 조절을 통해 자연살해세포의 활성을 최적화한 신개념 항암세포치료제 개발의 단초를 열었다.
김 교수팀은 자연살해세포가 암세포를 인지할 때 다양한 면역수용체들이 필요하며 이들은 공통적으로 SLP-76를 통해 자연살해세포를 활성화시킴을 규명하였다.
특히 주목할 점은 SLP-76는 인산화(燐酸化)를 통해 자연살해세포의 활성을 조절하는데 암세포가 제거될 때만 SLP-76가 상호보완적으로 완전히 인산화 됨을 규명하였다. 즉 SLP-76의 완전한 인산화가 자연살해세포 활성화에 필수적임을 밝혀 SLP-76가 자연살해세포 활성화를 제어하는 핵심스위치 역할을 함을 규명하였다.
또한 SLP-76의 상호보완적인 인산화는 자연살해세포에서만 관찰되는 고유한 특징으로 자연살해세포의 활성화 기전이 다른 면역세포와 근본적으로 다르다는 새로운 원리를 밝혀냈다.
김헌식 교수는 “이번 연구성과는 항암면역세포로 주목받는 자연살해세포의 활성조절기전이 다른 면역세포와 근본적으로 다르다는 새로운 원리를 밝혀낸 것으로, 향후 이를 활용해 자연살해세포 활성을 최적화하고 이를 통한 새로운 항암치료법 개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

* 자연살해세포(Natural Killer cell) : 암세포에 선택적인 살해능력을 보이는 선천면역세포로써, 암세포의 발생, 증식, 전이, 재발을 효과적으로 억제할 수 있어 유망한 항암면역세포로써 주목 받고 있음
**암줄기세포(Cancer stem cell) : 항암제에 대한 감수성(sensibility)이 적어 쉽게 내성을 보이며 암의 재발에 중요한 역할을 함
*** 면역수용체 : 주로 면역세포 표면에 발현되어 있으며 다양한 외부인자를 인지하여 면역세포에 활성신호를 전달함
**** SLP-76 : 면역세포 활성화에 필요한 단백질복합체 형성에 핵심적인 어댑터단백질

산호의 영원한 도우미, 공생미세조류의 생존 전략 찾아내
 
교육과학기술부(장관 이주호)는 ‘서울대 정해진 교수 연구팀이 산호의 공생미세조류인 심바이오디니움(Symbiodinium)이 당초 알려진 식물의 성질뿐만 아니라 동물의 성질을 동시에 가지고 있음을 세계 최초로 규명 하였다.’ 라고 밝혔다.
이번 연구는 서울대 정해진 교수(48세, 주저자), 포항공대 이기택 교수, 군산대 이원호 교수, 충남대 신응기 교수, 서울대 유영두 박사(공공교신자)가 주도하였으며, 세계적 권위의 학술지인 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences USA) 7월 18일자 on-line으로 게재되었다. (논문명 : Heterotrophic feeding as a newly identified survival strategy of the dinoflagellate Symbiodinium) ※동 연구는 교육과학기술부「해양극지 기초원천기술사업」과제로 수행됨.
정해진 교수 공동연구팀은 심바이오디니움(Symbiodinium)이 빈영양화 상태에서 세균이나 다른 미세조류를 포식하면서 대량번식 할 수 있음을 밝혀 광합성에 불리한 빈영양화 해역에서 ‘식물인 심바이오디니움이 대량으로 존재하며 산호초를 건강하게 유지하게 하는’ 역설(paradox)에 대한 해답을 찾아냈다.
보통 해수온도가 29~30도를 넘으면 산호는 몸 안에 있던 심바이오디니움을 방출하게 되고, 자신의 몸을 고정하던 석회질만 남게 되어 산호초가 하얗게 변하는 백화현상(coral bleaching)이 일어난다. 지구 온난화의 영향으로 지난 수십 년 간 20%의 산호초가 백화현상으로 없어졌다.
이번 발견으로 산호초에 서식하는 심바이오디니움에게 최적 먹이를 공급하여 번식을 유도할 수 있게 되어, 온난화로 인하여 발생하는 백화현상으로 파괴되는 산호초 복원에도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
산호들은 산호초를 만들어 해안을 보호하고, 신약물질을 제공하며, 막대한 관광산업 수입을 올리게 하는 매우 중요한 해양생물로, 이로 인하여 전 세계적으로 약 5억 명이 산호 관련 산업에 종사하고 있으며, 연간 생산액이 약 400조에 이르는 것으로 알려져 있다.
정해진 교수는 “이번 발견으로 산호의 생태생리 연구 중 가장 어려운 난제를 풀게 되었으며, 우리나라가 산호연구의 선도국으로 발돋움 하는데 큰 기여를 할 것이다. 또한 심바이오디니움은 산호뿐만 아니라 말미잘, 해파리, 조개, 해면, 원생동물 등 광범위한 해양생물들과 공생을 하므로, 이번 발견은 해양저서생태계 연구에 있어서 새로운 개념을 제시하게 될 것이다.”라고 연구의의를 밝혔다.
 
나노패턴기술을 이용해 차세대 태양전지 광전효율을 높이다
 
나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기로 바꾸는 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 차세대 태양전지의 광전변환 효율*을 높일 수 있는 가능성을 열었다.
연세대 김은경, 김종학 교수가 주도하고, 김정훈 박사 및 고종관, 김병관 박사과정생이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터(ERC)사업의 지원으로 수행되었고, 응용화학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Ed., IF=13.455)’지 최신호(7월 9일자, 온라인판)에 속표지논문으로 게재되고 ‘Hot Paper’로 선정되었다. (논문명 : Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells)
차세대 에너지 생산기술 중 무한한 태양 빛을 이용한 태양전지는 소재, 사용목적 및 효율에 따라 많은 기술로 세분화되는데, 이를 저렴하게 상용화하고자 하는 노력이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
그 중 식물의 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지*는 기존에 상용화된 실리콘, 고분자 전지에 비해 만들기 쉽고, 경제적이며, 투명하게도 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 고효율 전지로 각광 받고 있다.
염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 액체전해질은 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발하여, 고체전해질로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되었다.
김은경, 김종학 교수 연구팀은 미세한 구멍(수 나노미터크기)을 메울 수 있는 전도성 고분자*와 나노패터닝** 기술을 이용해 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발하였다.
특히 이번 성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입하여 빛 수확기술*을 활용했다는 점이 큰 특징이다.
빛 수확기술은 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과가 입증되었지만, 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 도입에 어려움이 있었다.
연구팀은 이번 연구에 앞서 지난해 처음으로 열에 의해 중합*되는 전도성 고분자 단량체**를 나노크기의 구멍에 넣은 후, 그 속에서 직접 전도성 고분자를 키워 그것을 전해질로 이용해 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발하였다.(Advanced Materials 지, 23, 1641-1646, 2011, 인용지수: 13.877)
전도성 고분자와 고분자 전해질은 전도도가 높고, 기존의 염료감응형 태양전지의 단점(액체전해질)을 극복할 수 있는 장점이 있지만, 대부분의 고분자는 크기가 크기 때문에 햇빛이 태양전지의 무기나노입자 사이의 구멍으로 침투할 수 없어 효율이 높은 태양전지 개발에 어려움이 있었다. 
특히 연구팀은 무기나노입자를 직접 매우 작게(나노크기) 패터닝하여 광전극을 만들어, 흡수되지 못하고 투과되는 빛까지도 반사시켜 빛을 수확하여 광전변환효율을 극대화하였다.
연구팀의 기술은 기존의 태양전지를 만드는 과정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에, 고가의 장비(패턴장비와 노광장비)가 필요한 공정에 비해 매우 간단하다. 또한 스탬프의 크기와 개수를 조절하여 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고, 패턴스탬프를 여러 번 재사용해도 전혀 문제없어 경제적이며, 대량생산도 가능하다.
아울러 마이크로미터(백만분의 1미터)에서부터 수백 나노미터(10억분의 1미터)까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하다. 그리고 이 기술은 빛 수확능력이 탁월한 광전극을 이용해 다양한 태양전지와 소자에도 활용할 수 있다.
연구팀이 개발한 빛 수확용 광전극은 기존의 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지의 전류생산량을 40% 증대시키는 효과를 나타냈다. 또한 기존에 발표된 전도성 고분자 기반의 태양전지는 2~3%의 낮은 효율을 보이는 반면에, 이 기술을 적용하고 전도성 고분자 고체 전해질을 이용하면, 7.03%의 높은 광전효율을 나타냈다.
김은경 교수는 “이번 연구는 나노패터닝이 광학적 특성을 변화시켜 빛의 반사를 통해 새어나가는 빛까지도 흡수하여 상당히 많은 양의 빛을 수확할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 또한 무기나노입자를 직접 패터닝하여 처음으로 효과적인 빛 수확용 전도성 고분자 기반 광전극을 개발했다는데 큰 의미가 있다”고 연구의의를 밝혔다.
김종학 교수는 “이번에 개발된 요오드 없는 태양전지에 나노패터닝 기술을 이용해 미래에너지인 태양전지뿐만 아니라 다양한 전자소자에도 활용할 수 있어 아직 해결되지 않은 기술들을 해결할 수 있는 기반을 마련하였다”고 덧붙였다. 
   

* 광전변환 효율 : 빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산할 수 있음
* 염료감응형 태양전지(DSSC) : 염료(색소)를 이용해 태양 빛을 전기로 바꾸는 태양전지
* 전도성 고분자 : 전기를 흐를 수 있게 하는 고분자로서, 태양전지 개발에 핵심이 되는 기능성 고분자
** 패터닝(patterning) : 일정한 크기와 형태를 갖도록 만드는 작업
* 빛 수확기술(Light Harvesting): 태양 빛을 흡수하여 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하고 이용하여 더 많은 전기를 생산하는 태양전지의 효율 증대를 위한 핵심기술
* 중합(polymerization) : 단량체 화학반응으로 2개 이상 결합하여 분자량이 큰 화합물을 생성하는 반응
** 단량체(monomer) : 고분자화합물을 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질 

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