"기존 대비 5배 이상"...KAIST, 생체지표자 동시 탐지 기술 '피카소' 개발
"기존 대비 5배 이상"...KAIST, 생체지표자 동시 탐지 기술 '피카소' 개발
  • 정지원 기자
  • 승인 2022.05.23 13:56
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낮은 비용·빠른 시간으로 가장 많은 단백질 지표자 탐지
한 번에 15~20개 동시 탐지 가능
피카소, 다양한 생체분자 이미지 형형색색으로 얻어낼 수 있어
KAIST에서 기존 대비 5배 이상 더 많은 수의 단백질 생체표지자를 동시에 관찰할 수 있는 기술이 개발됐다.(사진=KAIST)
KAIST에서 기존 대비 5배 이상 더 많은 수의 단백질 생체표지자를 동시에 관찰할 수 있는 기술이 개발됐다.(사진=KAIST)

(내외방송=정지원 기자) 기존 대비 5배 이상 더 많은 수의 단백질 생체표지자를 동시에 관찰할 수 있는 기술이 개발됐다.

KAIST는 23일 "장재범 신소재공학과 교수와 윤영규 전기및전자공학과 교수 연구팀이 이러한 기술의 멀티 마커 동시 탐지 기술을 개발했다"고 밝혔다.

생체표지자(바이오마커)는 단백질이나 DNA, RNA, 대사물질 등의 생체 분자로써 이를 통해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있다.

이를 통해 암이나 뇌졸중, 치매 등 각종 난치병을 정밀하게 진단할 수 있다.

최근 환자별로 암 조직 내부에 발현되는 단백질 표지자가 서로 다르다는 사실이 밝혀지고 있다.

이 차이에 따라서 암의 예후나 항암제 반응성 등이 결정된다는 연구 결과도 발표되고 있다.

때문에 암 조직에서 여러 단백질 표지자를 동시에 탐지하는 기술이 요구되고 있는 상황이다.

이에 장 교수 연구팀은 기존 기술 대비 5배 이상 더 많은 수의 단백질 생체표지자를 동시에 관찰할 수 있는 기술을 개발했으며 이 기술은 특수한 시약이나 고가의 장비가 필요하지 않아 암의 정확한 진단이나 항암제 개발, 새로운 단백질 표지자 발굴 등에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

그동안 정밀 암 연구는 암 환자의 조직 내부 유전자를 분석하는 유전체 연구를 중심으로 진행됐다.

하지만, 유전자 분석으로는 실제로 이 유전자로부터 단백질 표지자가 얼마나 많이 발현되는지 또는 어떤 공간적 분포로 발현되는지 알 수 없다는 한계가 있었다.

기존 유전체 분석으로 유방암을 진단받은 수백명의 유방암 환자의 암 조직의 내부 단백질 표지자를 분석한 결과, 환자들의 생존율이나 약물 반응성이 서로 다른 여러 종류로 나눌 수 있다는 연구 결과가 발표된 적이 있다.

또, 암을 정복할 신약으로 주목받고 있는 3세대 항암제인 면역항암제의 경우 암 조직 내부의 면역세포를 활성화해 암을 치료한다.

이때 암 조직 내부에 어떤 면역 단백질 지표자가 발현돼있는지에 따라서 그 약물 반응성이 큰 차이가 난다고 보고된 바 있다.

이처럼 암 조직 내부에서 여러 단백질 지표자를 동시에 탐지하는 기술은 새로운 ▲암 종류의 발굴 ▲각 종류를 표적으로 하는 신약 개발 ▲적합한 항암제 추천 등을 위해 필수적이다.

지금까지 암 조직 내부에서 여러 단백질 지표자를 동시에 탐지하기 위해서 질량 분석 이미지 처리법이나 형광염색법이 사용됐다.

질량 분석 이미지 처리법은 하나의 조직에서 다수의 단백질 지표자를 동시에 탐지할 수 있다는 장점이 있지만, 고가의 특수 장비가 필요하다는 단점이 있다.

또, 분석 과정에서 조직이 파괴되고, 과정이 오래 걸리기도 했다.

형광염색법은 한 번에 3개의 단백질 지표자만 관찰할 수 있다는 한계가 있다.

피카소 기술을 활용해 쥐 내마 영역을 45색으로 이미지화했다.(사진=KAIST)
피카소 기술을 활용해 쥐 내마 영역을 45색으로 이미지화했다.(사진=KAIST)

연구팀은 형광염색법의 한계를 해결하기 위해 한 번에 15~20개의 단백질 지표자를 동시에 탐지할 수 있는 기술인 '피카소(PICASSO)' 기술을 개발했다.

피카소는 'Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing og the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores'의 약자다.

이 기술을 통해 다양한 생체분자들의 이미지를 형형색색으로 얻어낼 수 있어 일반인들에게 가장 친숙한 화가인 피카소의 이름을 기술명으로 정한 것이다.

연구팀은 이를 위해 발광 스펙트럼과 유사한 형광 분자들을 동시에 사용하고, 형광 분자들의 신호를 정확하게 분리할 수 있는 기술을 개발했다.

피카소 기술은 기존의 멀티 마커 동시 탐지 기술 중 가장 낮은 비용으로 가장 많은 수의 단백질 지표자를 가장 빠르게 탐지할 수 있는 기술로 앞으로 암 진단이라 제약 등에 활용될 가능성이 매우 크다.

연구팀은 이 기술을 개발하면서 ▲4건의 국내 특허 ▲3건의 미국 특허 ▲2건의 EPO(유럽 특허) 및 PCT(국제 특허)를 출원해 이번 기술의 지적재산권을 확보했다고 밝혔다.

제1저자인 서준영 연구원은 "피카소 기술을 통해 그동안 관찰하기 어려웠던 조직 내 수많은 단백질 지표자의 발현 정도 및 분포 관찰에 성공했다"며 "특수한 시약이나 고가의 장비 없이 연구자들에게 친숙한 형광현미경만을 사용해 기술 구현이 가능하므로 접근성이 매우 높은 유용한 기술이 될 것"이라고 말했다.

이어 "새로운 생명현상 규명이나 암 생체지표자 발굴, 정밀진단 및 치료제 개발 등에 활발히 사용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

장재범 KAIST 신소재공학과 교수(왼쪽), 윤영규 전기및전자공학부 교수(가운데), 서준영 신소재공학과 박사과정(오른쪽).(사진=KAIST)
장재범 KAIST 신소재공학과 교수(왼쪽), 윤영규 전기및전자공학부 교수(가운데), 서준영 신소재공학과 박사과정(오른쪽).(사진=KAIST)

삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행된 이 연구는 서준영, 심연보, 김지원 KAIST 신소재공학과 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션스에 5월 출판됐다'(논문명: PICASSO allows ultra-multiplexed fluorescence imaging of spatially overlapping proteins without reference spectra measurements)'.

 


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