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Wonders of Nature
POSTECH Newsletter (영문 뉴스레터)
홍합접착단백질을 이용한 자연모사 연구에 대한 내용
POSTECH Newletter Vol.44 Summer 2007
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글쓴이 : 관리자 [ hbh30@postech.ac.kr ] 작성일 : 2004-06-23 17:59:03
Homepage : http://www.postech.ac.kr/ce/magic 파일 : 20040623175903.jpg
첨단 기술을 갖고 싶으면 날 베껴봐!
[국민일보 공동] 자연에서 배우는 과학, 생체모방공학
인류에게 있어서 발명의 역사는 자연으로부터의 모방과 더불어 발전해왔다. 사냥을 하기 위해 만들었던 칼과 화살촉은 육식동물의 날카로운 발톱을 모방했고, 딱정벌레의 단단한 껍질을 보고 갑옷을 만들어 입었다. 이순신 장군은 거북과 비슷하게 생긴 거북선을 만들었으며, 라이트 형제는 대머리수리가 하늘을 나는 모습을 관찰해 비행기를 만드는 데 성공했다.
이와 같이 생명체의 행동이나 구조, 물질 등을 모방하여 과학기술에 적용하는 생체모방공학이 최근 관련 분야의 첨단 과학기술에 힘입어 크게 발전하고 있다. 자연에서 모방할 수 있는 과학기술에는 어떤 것들이 있는지, 그 수수께끼의 세계 속으로 들어가 본다.
수수께끼 1 홍합에서 모방할 수 있는 과학기술은?
나는 홍합이야. 시원한 국물과 노란 속살은 담백한 맛이 일품이지. 그런데 나는 요즘 음식점이 아닌 신소재, 신물질 분야에서 주목받고 있어. 왜 그런지 알아맞혀 볼래? 굳이 힌트를 준다면, 나는 아무리 심하게 파도가 쳐도 붙어사는 바위에서 결코 떨어지지 않는다는 거야.
그래, 맞았어. 내가 바닷물 속의 바위에 단단하게 붙어 있는 이유는 강력한 접착단백질을 가지고 있기 때문이지. 지금까지 나온 어떤 화학합성 접착제보다 강하면서 유연성이 뛰어날 뿐 아니라, 천연물질이기 때문에 인체에 사용해도 안전해.
때문에 과학자들은 오래 전부터 내가 지닌 천연 접착물질에 대해 관심을 가져왔지. 이 물질로 접착제를 만들어내면 바닷물에 견뎌야 하는 선박이나 군함을 제조하는 데 이용할 수 있고, 찢어진 피부나 부러진 뼈를 접합할 수 있는 의료용 접착제로 활용할 수 있기 때문이지.
그런데 문제는 내가 만들어내는 천연 접착물질의 양이 너무 적다는 거야. 내게서 채취한 접착물질로 1g의 접착제를 만들려면 무려 1만개 이상의 홍합이 필요해. 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 DNA 기술을 활용한 연구를 시도해왔는데, 이번에 아주 주목할 만한 연구 결과가 발표되었어.
지난 5월 포항공과대 차형준 교수가 내게서 추출한 접착단백질의 유전자를 대장균에서 배양 생산하는 데 성공한 거야. 내가 가진 5가지의 접착 관련 단백질 중 FP-5 계열의 새로운 접착단백질의 대량 생산이 가능하게 된 거지. 물론 예전에 이미 FP-1 계열의 접착단백질을 배양하는 기술이 개발되었는데, 실용성이 없어서 흐지부지 되고 말았어.
그래서 나도 이번에는 이 기술이 실용화에 성공해서 나처럼 강한 천연 접착제가 개발되기를 바라고 있어. 그러면 사람들이 시원한 국물 맛만큼이나 나를 더 아껴줄 테니까 말이야.
수수께끼 2 찍찍이는 무엇을 본떠 만들었을까?
흔히 찍찍이라고 불리는 나는 신발이나 옷소매, 인라인스케이트의 보호대 등에 사용돼. 지퍼 대용으로 많이 쓰이며 마음대로 붙였다 떼어냈다 할 수 있는데, ‘벨크로’라는 상표명으로 널리 알려져 있지. 나를 확대해보면 한쪽 면에는 끝이 휘어진 갈고리가 있고, 다른쪽 면에는 둥근 고리가 박혀 있어. 이런 구조 때문에 나는 만 번 이상 붙였다 떼어내도 끄떡없을 정도로 수명이 길어.
그럼 나는 자연의 무엇을 본떠 만들어졌을까? 가을 들판에서 흔히 볼 수 있는 도꼬마리 열매가 바로 정답이야. 도꼬마리의 씨앗이 들어 있는 열매는 가시 끝이 갈고리 모양을 하고 있어서 동물의 털에 잘 붙지. 아주 교묘하게 구부러진 도꼬마리의 갈고리 끝을 모방해서 만들어진 나는 자연의 생물에게서 아이디어를 얻은 대표적인 상품으로 전 세계에서 판매되고 있어.
수수께끼 3 고속철도 앞부분의 벌집 모양 장치는 무엇일까?
나는 육각형의 집을 짓고 살아. 그 안에는 꿀이 가득 담겨 있지. 맞았어. 나는 바로 꿀벌이야. 그럼 내가 왜 육각형으로만 집을 짓는지 알고 있니?
벌집처럼 연이어서 방을 만들 때 공간을 빈틈없이 채울 수 있는 정다각형은 정삼각형, 정사각형, 정육각형 3개뿐이야. 그런데 같은 길이의 줄을 가지고 이 3가지 도형을 만들었을 때 내부에 가장 많은 꿀을 담을 수 있는 구조가 정육각형이지. 즉, 가장 적은 재료로 가장 넓은 공간을 활용하려는 우리의 집짓기 전략이 바로 육각형 구조에 숨어 있는 셈이야.
우리 집의 구조는 튼튼하기도 해서 많은 분야에 응용되고 있어. 예를 들면, 골판지의 단면도 육각형으로 처리되어서 가볍지만 강도가 뛰어난 거야. 또 휴대폰의 기지국을 설계할 때도 지역을 육각형 구조로 나누지. 그건 가장 적은 비용으로 많은 지역에 서비스를 할 수 있는 구조이기 때문이야.
고속열차 KTX의 앞부분에도 벌집과 같은 육각형 장치가 달려 있어. 바로 허니콤이라는 충격흡수장치야. 알루미늄 합금으로 된 이 장치의 내부는 이름 그대로 벌집의 육각형 구조인데, 시속 300km로 달리는 열차가 700kg의 물체와 부딪쳤을 때 그 충격을 흡수할 정도로 성능이 뛰어나다고 해.
수수께끼 4 초소형 비행체의 모델은 왜 곤충일까?
길이 15cm, 무게 100g 이하의 매우 작고 가벼운 비행체를 초소형 비행체라고 해. 나를 영어로 간단하게 MAV(Micro Air Vehicle)라고도 불러. 이처럼 작은 나를 전쟁할 때 내보내면 마음대로 하늘을 날아다니며 적군의 위치와 수를 실시간으로 알려줄 수 있어. 또 내가 날아가 적군의 레이더 시스템을 교란시킨다면 그 전쟁은 누가 이길지 말을 안 해도 알 수 있겠지.
전쟁뿐만 아니라 건물이 붕괴되었을 때 그 안에 있는 생존자를 확인하거나 인질을 잡고 있는 테러범을 파악하는 데도 나만큼 유용한 기계는 없을 거야. 그럼 지금 개발되고 있는 내 동료들은 왜 모두 곤충을 모방해서 만들어지고 있는 걸까?
지구상의 모든 곤충은 날개를 가지고 있어. 근육이나 뼈가 없는 간단한 구조의 날개인데도 아주 빠르게 날지. 더구나 곤충이 나는 것을 보면 전후좌우를 비롯하여 회전, 8자 비행은 물론 정지비행까지 다양한 비행기술을 동원하여 자유자재로 날아다녀.
이착륙도 마음대로 하며, 특히 빠르게 날다가 순간적으로 방향을 전환하는 기술은 인간의 항공역학으로는 도저히 따라할 수 없는 비행기술이지. 그런 것들이 바로 우리를 개발하려는 과학자들이 곤충에 관심을 가지는 이유야. 이제 멀지 않은 미래에는 아마 파리만큼 작고 성능이 뛰어난 나를 볼 수 있을 거야.
/이성규 객원편집위원 yess01@hanmail.net
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제목 : 홍합에서 세계 첫 의료용 생체접착제 개발
해양수산부 관련 보도자료입니다.
http://www.momaf.go.kr/news2/info/c_info_rview.asp?view=864
제 목 : 홍합에서 세계 첫 의료용 생체접착제 개발
담당부서 공보관실 작성일 2004.05.24
ㅁ 포항공대 차형준 교수, 해양신물질연구개발사업 성과
국내에서 세계 최초로 홍합에서 우수한 접착능력을 가진 의료용 생체접착제의 생산기술이 개발되어 현재 전량 수입에 의존하고 있는 의료용 접착제를 대체할 수 있는 기반이 마련됐다.
이 같은 사실은 해양수산부의 「해양생물을 이용한 유용신물질 개발사업」에 참여한 포항공과대학교 차형준(車炯準·36세, 화학공학과)교수의 ‘홍합유래 생물접착제의 유전학적 대량생산 및 실용화’ 연구사업에서 밝혀졌다.
차 교수는 홍합에서 유래하는 접착단백질을 코딩하는 신규 유전자를 발굴하여 우수한 접착능력을 가지는 재조합 생체접착제의 유전학적 생산에 세계 최초로 성공하여 이를 한국과 미국에 특허출원했다.
또 저명한 생명공학 국제학술지인 Applied and Environmental Microbiology 6월호에 그 결과가 게재된다.
차 교수팀은 내년 말까지 상업적으로 적용이 가능하도록 접착력 증대를 위한 접착단백질 구조의 최적화 연구와 효율적인 분리정제 연구를 마치고 오는 2006년부터 상용화를 위한 대량생산기술 개발에 나설 예정이다.
◀ 홍합접착단백질
홍합으로부터 추출한 단백질을 생체접착제로 이용하려는 자연모방연구는 1980년대부터 주목을 받으면서 진행되어 왔다. 홍합 접착단백질은 현재 알려진 화학합성 접착제보다도 강력한 천연 접착제로 대부분의 에폭시 접착제보다 두 배 정도의 인장강도를 가지면서도 유연성이 뛰어날 뿐만 아니라, 인체에서 면역거부 반응이 없는 것으로 알려져 의료용으로 가장 적합한 생물접착제이다
현재 홍합 1만 마리에서 얻을 수 있는 양은 고작 1 그램으로 그 가격이 7만5천 달러에 달하고 있어 접착단백질의 의료용 접착제로서의 실용화에 커다란 제한점이 되고 있다. 이는 유전학적으로 대량생산할 수 있는 기술이 아직까지도 개발되어 있지 않기 때문이다. 그 동안 대부분의 연구자들이 주목을 하고 유전학적으로 생산하고자 하던 FP-1 계열의 단백질은 단백질의 특성상 불가능하다는 것이 현재의 결론이다. 또한 이를 해결하고자 제작하였던 모델 접착펩타이드는 유전학적 생산은 가능하지만 접착능력을 거의 가지지 않는 것으로 알려져 있다.
◀ 신규 홍합접착단백질의 유전학적 생산 및 접착능력 확인
차형준 교수 연구팀은 홍합 접착단백질의 상용화를 위하여 불가피한 유전학적 생산 기술을 개발하기 위하여 FP-5 계열의 새로운 접착단백질에 주목을 하고 국내 양식 종으로부터 처음으로 유전자를 클로닝하고 유전학적으로 대장균에서 생산하고, 분리정제 하는데 성공했다.
대장균에서 생산된 홍합접착단백질 FP-5의 접착능력을 측정하기 위하여 접착력 측정에 맞게 수정된 원자현미경을 이용한 결과 현재 상용화되어 있는 자연 추출한 접착단백질보다 접착능력이 우수함을 확인했다.
또한 표면 코팅 연구결과, 다양한 재질의 표면에 코팅이 가능하였고 특히 현재 상용화되어 있는 방오제가 코팅되어 있는 표면에서 자연추출한 접착단백질은 붙지 못하는 반면에 홍합접착단백질 FP-5는 잘 붙는 결과를 보였다.
우수한 접착력을 가지는 새로운 홍합 접착단백질 생산기술을 개발함에 따라 찢어진 피부 및 부러진 뼈의 접착이나 장기이식 등에 이용되는 현재 전량수입에 의존하고 있는 의료용 접착제를 대체할 수 있으며 화학접착제의 문제점을 해결할 수 있는 환경친화적인 생체접착제로 커다란 활용이 가능할 것으로 기대된다.
현재 의료용 접착제로 널리 쓰이고 있는 물질은 cyanoacrylate라는 물질로서 피부의 찢어진 곳을 잘 접합해 줄 수는 있지만, 인체 안으로 들어가면 염증을 유발하는 등 많은 문제를 야기 시키므로 인체 안에 쓸 수 있는 의료용 접착제는 전무한 실정이다.
부가가치가 높은 의료용 접착제 시장은 2003년 기준 일본은 약 200억엔이며 수년내에 700억엔으로 성장할 것으로 예상된다.
미국은 의료용 접착제 시장은 약 9억달러이며 연평균 7.5%의 성장률로 2007년에는 약 13억달러의 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다.
국내의 경우 의료 및 치과 분야에 활용되는 의료용 접착제는 매년 수 백억원씩 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다.
전세계적으로 부가가치가 높은 수술용 접착제는 10% 이상의 높은 성장률을 보이고 있으며 합성접착제보다는 천연접착제(collagen, fibril 등)의 비중이 지속적으로 증가 추세이며 현재 30%에서 2007년에는 약 50% 점유 예상된다.
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□ 문의 : 해양수산부 해양개발과 최명범 사무관(02-3148-6531)
포항공과대학교 차형준 교수 (054-279-2280)
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글쓴이 : 관리자 [ hbh30@postech.ac.kr ] 작성일 : 2004-06-23 17:57:23
Homepage : http://www.postech.ac.kr 파일 : 20040623175723.jpg
포항공대 화학공학과 차형준(36) 교수가 홍합을 이용한 의료용 생체접착제를 개발했다.
차 교수팀은 해양수산부의 ‘해양생물을 이용한 유용 신물질 개발사업’에 참여, 접착능력이 있는 해양생물체인 홍합에서 유래하는 접착 단백질을 유전공학기법으로 생산하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 연구팀은 홍합 접착제 기술을 한국과 미국에 특허 출원했으며 생명공학 국제 학술지인 응용환경 미생물학(Applied and Environmental Microbiology) 6월호에 관련 연구 결과도 게재했다.
차 교수팀은 국산 양식 홍합에서 ‘FP-5’라는 접착 단백질을 추출해 유전자를 복제한 다음 대장균을 이용, 증식·분리하는 방식으로 이번 연구의 결실을 일궈냈다.
홍합에서 추출한 생체접착제는 인공접착제에 비해 접착력이나 유연성이 탁월한데다 인체에 대한 면역거부 반응도 거의 없는 것으로 알려져 선진국에선 이미 지난 80년대부터 상용화를 위한 활발한 연구가 진행돼 왔다.
하지만 홍합 1만 마리에서 얻을 수 있는 접착제는 1g에 불과했고 가격도 g당 7만5천달러에 달해 실용화에는 어려움이 많았다. 때문에 실험용 시약으로만 일부 사용돼 왔을 뿐 실제 의료용으로는 한계가 있었다.
이런 점을 종합적으로 고려할 때 차 교수팀의 연구 성과에 대해 산·학계이 갖는 기대는 대단하다. 차 교수팀이 개발한 기술은 접착력이 기존 제품보다 뛰어난데다 방오제로 코팅돼 있어 표면에서의 흡착력도 높다. 또 접착 단백질을 대량생산 할 수 있는 기틀이 마련됐다는 점에서 의료계에서 거는 기대도 크다.
차 교수는 “우리나라와 미국에 특허출원을 마친 상태”라며“2006년부터 상용화되기 시작하면 한해 수입되는 수백억원의 외국산 의료용 접착제를 대체할 수 있을 것이라고 기대하고 있다”고 말했다.
박승혁기자
작성일: 2004년 06월 16일
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제목 : "홍합 이용 의료용 접착제 대량 생산" 포항공대 차형준 교수
2004/05/24 14:55 송고
"홍합 이용 의료용 접착제 대량 생산"
포항공대 차형준 교수 기술 개발
(서울=연합뉴스) 이승관기자 = 홍합을 이용해 의료용 생체 접착제를 대량 생산
할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
24일 해양수산부에 따르면 포항공대 화학공학과 차형준(36) 교수팀은 최근 홍합
의 발에서 나오는 접착성 단백질을 유전공학 기술을 이용해 대량 생산하는 데 성공
했다.
차 교수팀은 국산 양식 홍합에서 `FP-5'라는 접착 단백질을 추출해 유전자를 복
제한 다음 대장균을 이용해 증식, 분리하는 방식으로 이를 대량 생산할 수 있는 길
을 열었다.
이같은 연구결과는 생명공학 분야의 저명한 국제 학술지인 `Applied and Enviro
nmental Microbiology' 6월호에 게재될 예정이다.
홍합에서 추출한 생체접착제는 인공접착제에 비해 접착력과 유연성이 뛰어난데
다 인체에 면역거부 반응이 거의 없는 것으로 알려져 지난 80년대부터 상용화를 위
한 연구가 활발히 진행돼 왔다.
그러나 지금까지의 기술로는 1ｇ의 생체 접착제를 얻기 위해 무려 1만마리의 홍
합이 필요하기 때문에 실용성이 떨어진다는 지적을 받아왔다.
또 판매가격도 1ｇ당 7만5천달러(8천800만원)에 달해 실험용 시약으로만 일부
사용돼 왔을 뿐 실제 장기이식이나 피부,뼈 접착 등 의료용으로 상용화되지 못하는
한계가 있었다.
이번에 차 교수팀이 개발한 기술은 대량 생산은 물론 현재 이용되고 있는 것보
다 접착력이 뛰어나고 방오제(이물질이 붙지 못하도록 하는 화학물질)가 코팅돼 있
는 표면에서도 잘 붙도록 할 수 있다.
차 교수는 "이미 우리나라와 미국에 특허를 출원한 상태"라며 "조만간 상용화되
면 한해 수백억원어치 수입되는 외국산 의료용 접착제를 대체할 수 있을 것으로 기
대한다"고 말했다.
humane@yna.co.kr
(끝)
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