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[R&D PLUS] 신관우 서강대학교 화학과 교수, 스스로 에너지 대사활동 하는 인공세포 개발

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[첨단 헬로티]

 

신관우 서강대학교 화학과 교수가 7월 이달의 과학기술인상 수상자로 선정됐다. 이달의 과학기술인상은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하는 시상식이다. 선정은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 시행한다. 신 교수는 광합성 작용을 통하여 스스로 에너지 대사활동을 하는 인공세포를 세계 최초로 개발한 점을 인정받아 7월 이달의 과학기술인상의 주인공이 됐다.

 

 

신관우 서강대학교 화학과 교수가 7월 이달의 과학기술인상 수상자로 선정됐다. <사진 : YouTube, 기술인문융합창작소>

 

신관우 교수, 7월 ‘이달의 과학기술인상’ 수상자로 선정


과학인 사이에서 7월은 의미 있는 달이다. 1996년 7월 5일에 복제 양 ‘돌리’가 탄생했고, 1999년 7월에는 국내개발 신약1호가 등장했다. 이처럼 생명공학 발전에 역사적인 이정표가 새겨져 있는 7월에 ‘이달의 과학기술인상’의 주인공은 누가될지 관심이 모아졌다. 그리고 그 자리는 신관우 화학과 교수가 차지했다.


과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상에 신관우 교수를 선정한 이유에 대해 살아있는 세포와 형태 및 기능이 동일할 뿐 아니라 광학성 작용을 통하여 스스로 에너지 대사활동을 하는 인공세포를 세계 최초로 개발한 공을 높이 샀다고 밝혔다.

 

인공세포, 스스로 생체에너지 생산해 세포골격 합성


2000년대 이후 인공적인 요소를 살아있는 세포에 삽입·결합하여 인공세포를 개발하는 연구가 다양하게 진행됐다. 하지만 기존 연구에서는 스스로 대사 활동하는 에너지 전환 체계를 갖추지 못했다. 세포가 에너지를 흡수하고 물질을 전환하는 과정이 복잡해, 이를 인공적으로 구현하는 데 많은 어려움이 있었기 때문이다.


신 교수는 이 문제를 해결하기 위한 연구를 진행했다. 그는 실제 세포에서 추출한 단백질을 인공 세포막에 삽입해도 그 기능이 유지된다는 사실에 착안해 기존 세포에서 막 단백질을 추출하고, 인공세포막에 삽입시키면 순차적으로 생체 단백질 종합반응을 진행할 수 있다는 가설을 세웠다.


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


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

 

 

에너지를 스스로 만들어내는 식물의 광합성의 원리를 동물세포에 결합해 인공적으로 생명을 만들어 내는 개념을 모식적으로 그린 그림.

 

연구성과, ‘네이처 바이오테크놀로지’ 표지논문으로 게재


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 2018년 5월 28일 게재됐다.


신 교수는 “식물과 박테리아에서 주요 단백질들을 추출하여 인공적으로 만든 세포막에서 서로 신호를 주고받으며 자연에서와 같은 에너지를 스스로 만들어내는 최초의 인공세포를 만들었다”면서 “자연의 모든 생명체가 일상적으로 구현하는 생화학적 원리와 현상을 세포와 유사한 공간에서 실험으로 구현한 새로운 연구 성과”라고 수상 소감을 밝혔다.

 

 

<사진 : YouTube, 기술인문융합창작소>

 

[다음은 신관우 교수와의 일문일답]

 

Q. 이달의 과학기술인상 수상을 축하한다. 수상 소감은?


인공세포라는 새로운 분야 연구에 도전할 수 있도록 지원해 주신 과기정통부와 연구재단에 먼저 감사 인사를 드린다. 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 박사께도 감사드린다. 연구결과는 논문으로 결실을 보기에 논문에 참여한 분들이 주목을 받고 있지만, 실제로는 아이디어를 도출하고 연구기반을 만들어 낼 수 있도록 수많은 기초연구를 함께 수행해준 제자들 덕이 크다.

 

Q. 인공세포에 관심을 갖게 된 계기가 궁금하다.


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

 

Q. 최근 스스로 에너지 대사를 하는 인공세포를 구현하며 학계의 주목을 받았다. 관련 연구 성과에 대해 소개해 달라.


지금까지 세포를 구성하는 수많은 세포막 인지질, 세포막 단백질, 효소나 신호전달 물질 등에 대한 개별 연구는 많이 진행되었다. 그러나 이러한 세포를 구성하는 분자들이 ‘살아있는’ 생명체가 되기 위해서는 수많은 생화학적 과정으로 연결되고 제어되어야 한다. 또, 이들 과정마다 생체에너지(ATP)가 필요하다. 식물은 광합성을, 동물은 음식물 섭취를 통해 이러한 과정을 유지한다. 즉 스스로 에너지를 생산하는 것은 생명현상의 가장 중요한 과정 중 하나이다.


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

 

Q. 1996년 세계 최초의 복제양 돌리가 탄생하며 유전공학과 질병치료의 전기를 마련 것처럼 인공세포 개발 역시 신약개발과 질병치료의 새 장을 열 것으로 기대 받고 있다. qhsdlsdml 연구결과들이 향후 우리 사회에 어떤 영향을 미칠 것이라 보는가.


우리 논문이 2018년에 발표됐다. 벌써 스스로 유전자를 합성하거나 단백질을 합성하는 내용의 논문들이 발표되고 있다. 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 있다. 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 기대해본다.

 

Q. 진일보된 인공세포는 어떻게 활용할 수 있나.


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

 

Q. 최근 세계적으로 인공세포와 관련해 다양한 연구가 진행되고 있다. 국내외 연구 중 흥미를 끄는 연구나 주목해야할 연구가 있을까.


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

 

Q. 현재 몸담고 있는 서강대 바이오계면연구소에서도 다양한 융복합 연구가 진행되고 있나.


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

 

Q. 앞으로 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 연구 성과가 있다면.


인공세포 연구를 시작하기 전인 2008년 중고등학교 학생들 앞에서 대중강연을 한 적이 있었는데 그때의 주제가 ‘사람이 만드는 세포의 꿈’이었다. 그로부터 딱 10년 만에 이번 논문이 마무리되었다. 아마 이와 관련된 후속연구의 성과가 나오려면 아마 다시 10년이 걸릴지도 모른다. 제 꿈은 좋은 논문을 내는 것이 아니다. 아무도 알아주지 않는 연구결과라도, 아무도 시도해보지 않은 완전히 새로운 연구주제를 제가 주도적으로 찾는 것이다. 아직도 그 주제를 찾지 못했다. 자유롭게 생각하고 작은 것에서 의미를 찾는 노력을 더 하고 싶다.

 

Q. 미래 과학자를 꿈꾸는 어린 학생들에게 조언 부탁한다.


학생들에게 지금의 상태가 미래를 결정하지는 않는다는 것을 알려주고 싶다. 특히 중고생들은 지금의 입시경쟁으로, 혹은 가정형편으로, 혹은 교과과정이나 주변 환경으로 원하는 분야의 과학자의 꿈을 키워나가기 어려울 수 있다. 수능점수에 맞춰 잘 모르는 학과에 가는 경우도 많고, 또 남들의 권유에 의해서 선택한 길이 실망스러운 경우도 있을 것이다. 유망한 학과나 학문분야를 전공하지 않아도, 과학자의 길을 갈 수 있다. 자연에는 나름의 법칙이 있고, 이 모든 것들은 서로 연관되어 있다. 생물학을 해도, 그 속에 물리학이 있다. 또 물리학은 전자공학과, 또 화학은 재료공학과 연관되어 있다. 대학을 졸업한 후에도 그 분야 속에서 새로운 학문을 찾을 기회가 석사-박사과정에서 있다. 따라서 사회 일반에서 이야기하는 ‘경제적으로 안정된’분야가 정말 내가 좋아하는 분야인지를 고민해 볼 필요가 있다. 중고등학교를 거치면서 정말 좋아하는 학문을 할 기회가 없었다면 스스로 선택할 수 있는 두 번째 기회가 왔을 때 꼭 자신이 원하는 선택을 해보고 그 길을 걸어가기 바란다. 과학이 아닌 어떠한 분야에서라도 성공할 것이다.

 



















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