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조승우교수연구팀, 심장 미세환경 구현한 ‘장기 유사체’ 제작 – 심근경색 치료 및 신약 효능 평가 수행

연세대학교 생명공학과 조승우 교수 연구팀은 가톨릭대학교 의대 박훈준 교수 연구팀과 공동으로, 복합적인 심장 미세환경을 체외에서 구현하는 심장 오가노이드 제작·배양 기술을 개발하였고, 약물 평가, 질환 모델 구축, 재생치료와 같은 폭넓은 응용성을 검증하였다. 오가노이드란 줄기세포와 조직공학 기술을 통해 인공적으로 만든 장기유사체로, 신약 유효성·안전성 평가 등 다양한 활용이 가능해 전 세계적으로 주목받고 있다. 하지만 아직 개체 간 편차가 크며, 분화도·성숙도·기능성 등이 실제 심장 수준에 미치지 못한다. 이는 약물 평가의 정확도를 떨어뜨리고 이식 후 조직 재생 효과를 보장할 수 없어 실질적인 응용에 어려움이 있었다. 연구진은 심장의 물리적·생화학적 미세환경을 오가노이드에 구현해 기존 오가노이드의 한계를 효과적으로 개선했다. 먼저 심장의 다양한 세포 구성을 구현하고자 인간 유도만능줄기세포로부터 분화된 심근세포 외에도 심장 섬유아세포, 혈관내피세포까지 세 종류의 세포를 혼합했다. 이후 혼합된 세포를 심장 조직 유래의 세포외기질 지지체 내에 삼차원 배양해 심장 오가노이드를 제작했다. 이로써 실제 심장 조직 내 존재하는 다양한 세포 간 상호작용뿐만 아니라, 세포 및 세포외기질 간 상호작용도 구현하는 심장 오가노이드를 제작할 수 있었다. 또한, 심장 내 혈류 흐름과 산소·영양분 공급 등 동적 미세흐름을 구현하고자 미세유체 칩을 활용한 동적 배양법도 개발했다. 기존의 정적 배양법과 달리 산소와 영양분을 오가노이드 내부로 끊임없이 공급해주어, 오가노이드의 생존율을 높이고 장기배양을 가능하게 하였다. 이어 제작된 오가노이드의 응용 가능성을 검증했다. 부정맥 유발 위험도가 있는 약물을 오가노이드에 실험한 결과, 약물 반응이 기존 임상 데이터와 유사한 양상을 보였다. 또한, 오가노이드를 활용해 심장 섬유증, 긴 QT 간격 증후군 등 심장질환 모델 제작에도 성공했다. 뿐만 아니라 심근경색을 유발한 쥐에 심장 오가노이드를 이식해 심장 재생치료 가능성도 확인했다. 오가노이드가 이식된 쥐의 심장은 수축 기능 향상, 섬유화 감소, 손상된 조직의 재생 효과 등이 확인됐다. 심장 조직 내 안정적으로 생착한 오가노이드는 세포끼리 유기적으로 연결되어 수축 관련 신호가 원활히 전달됐다. 향후 부정맥 유발 가능성을 줄이는 치료제로 활용 가능함을 의미한다. 조승우 교수는 “이번 연구의 오가노이드는 향후 체외 모델 플랫폼으로써 신약 개발의 효율성을 높이고 심장 조직을 근본적으로 재건하는 재생치료제로 활용 가능할 것으로 보인다”며 “개발한 조직공학 기술은 다른 장기 오가노이드에도 접목해 추후 바이오산업 및 임상 치료에 적용될 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 16,6)’에 3월 22일(한국시간) 게재됐다. 논문제목: Versatile human cardiac tissues engineered with perfusable heart extracellular microenvironment for biomedical applications 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46928-y [연구자 사진; (왼쪽부터) 연세대학교 생명공학과 조승우 교수, 가톨릭대학교 의대 박훈준 교수, 연세대학교 연구교수 민성진, 연세대학교 박사후연구원 김수란, 가톨릭대학교 박사과정생 심우섭] [논문의 주요 내용 그림; 심장 미세환경 구현한 심장 오가노이드 제작 과정 및 우수성]

생명공학과 2024.05.02
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[연구 프론티어] 신종식 교수팀, 인공 효소를 이용한 아민의 키랄 전환 성공

신종식 교수팀, 인공 효소를 이용한 아민의 키랄 전환 성공 광학 활성 아민의 키랄 전환 바이오 공정 개발 및 인공 효소 설계 광학 활성 아민 의약품 100% 분할 생산을 위한 돌파구 마련 [사진 1. (왼쪽부터) 장영호 연구원(제2저자), 신종식 교수(교신저자), 한상우 박사(제1저자), 장지수 연구원(제4저자)] 생명시스템대학 생명공학과 신종식 교수 연구팀은 아민 전달 효소의 공회전 사이클에서 광학 활성 아민의 키랄 전환이 일어날 수 있음을 발견하고 그 작동 원리를 수학적으로 규명했다. 또한 연구진은 단백질 재설계를 통해 공회전 사이클을 리프로그래밍해 다양한 광학 활성 아민에 대해 키랄 전환 활성을 갖는 인공 효소의 개발에 세계 최초로 성공했다. 가장 대표적인 광학 활성 아민 의약품은 머크사의 자누비아(당뇨병 치료제)로 연간 판매액이 1.5조 원에 달하며, 이 밖에도 시알리스(발기 치료제), 타미플루(독감 치료제), 졸로프트(우울증 치료제) 등이 대표적인 광학 활성 아민 의약품이다. 또한 현재 개발 중인 신약의 40% 이상이 광학 활성 아민으로 알려져 있다. 고가의 의약품에 사용되는 광학 활성 아민의 환경친화적 바이오 생산 기술 개발은 전 세계 제약회사의 뜨거운 관심 분야 중 하나이다. 가장 대표적인 생산 공정은 효소를 이용한 광학 분할이지만 수율 50%의 한계로 인해 순수한 L 또는 D형 광학이성질체(optically active isomer)를 각각 50%의 L/D 혼합물로 전환하는 반응인 ‘화학적 라세믹화’를 위한 추가 공정이 필요한 실정이다. 100% 분할 공정을 개발하기 위해서는 아민의 L과 D형 광학이성질체 간의 전환인 ‘키랄 전환’을 수행하는 효소가 필요하지만 아직까지 자연계에서 발견되지 않았다. 신종식 교수 연구팀은 아민 전달 효소의 반응을 연구하던 중 공회전 사이클에서 아민의 키랄 전환이 진행됨을 우연히 발견했다. 일반적으로 효소는 L 또는 D-이성질체 중 하나의 형태에만 특이적으로 활성을 갖는데, 이러한 발견은 정밀한 키랄 특이성을 갖는 효소의 기존 상식을 깨는 것이었다. [그림 1. 광학 활성 아민의 키랄 전환. 대표적 광학 활성 아민인 ‘α-메틸벤질아민’의 키랄 전환이다. 연구팀이 개발한 인공 효소는 다양한 광학 활성 아민의 L과 D-이성질체 간의 전환을 가능하게 한다. L과 D-아민은 화학적으로는 동일하지만 서로 거울상 구조이기에 공간상에서 겹쳐지지 않는다.] 연구진은 컴퓨터 모델링을 통해 키랄 특이성의 미세한 실수가 반복되면서 L과 D-이성질체 간의 키랄 전환이 진행됨을 밝혔다. 자연계에 존재하는 아민 전이 효소는 극히 제한적인 화합물에만 키랄 전환 활성을 보였다. 따라서 연구진은 단백질 3차 구조 재설계를 통해 가상 돌연변이체를 제작함으로써 다양한 광학 활성 아민에 대해 활성을 갖는 키랄 전환 인공 효소의 개발에 성공했다. [그림 2. 키랄 전환 인공 효소의 구조. 단백질 구조 분석 및 도킹 시뮬레이션을 통해 변이체의 활성을 예측할 수 있다.] 신종식 교수는 “이번 연구 성과는 효소를 이용한 의약품 생산 기술에 취약한 국내 제약 업계에서 수율 100%의 아민 광학 분할 원천 기술을 확보할 기회가 된다.”며, “향후 광학 활성 아민의 바이오 생산 공정을 상업화하는 국내 제약 회사가 꼭 등장하기를 기대한다.”고 밝혔다. 또한 “논문의 제1저자인 한상우 박사는 우리 실험실에서 학위를 마치고 현재 건국대 교수로 재직 중”이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업으로 수행됐으며, 연구 성과는 최고 권위 국제 학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 2일 온라인 게재됐다. 논문정보 ● 논문제목: Reprogramming biocatalytic futile cycles through computational engineering of stereochemical promiscuity to create an amine racemase ● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44218-7 용어설명 ● 키랄 전환(chiral inversion): L과 D형 광학이성질체 간의 전환. 분자는 탄소에 결합한 네 개의 그룹이 모두 다를 경우 편광에 대해 반대의 광학적 성질을 보이는 L 및 D형 광학이성질체가 존재한다. 모든 생명체는 단일 광학이성질체만을 선택해 진화해 왔으며 이는 생물학의 풀리지 않은 미스터리 중 하나이다. 예를 들어 단백질과 탄수화물은 각각 L-아미노산과 D-슈가로만 이뤄져 있다. ● 아민 전달 효소(transaminase): 아민계 화합물의 대사 과정에 핵심적인 효소로, 아미노산과 케토산 간에 아민 그룹을 전달한다. ● 공회전 사이클(futile cycle): 대사 과정에서 다단계 반응을 거쳐 다시 처음 상태로 돌아오는 반응 사이클. 비유하자면 자동차의 공회전과 같이 무언가 일은 하지만 겉보기에 변화가 없는 상태이다.

생명공학과 2024.01.23
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권호정 교수 공동연구팀, 단백질-단백질 상호작용을 조절할 수 있는 생분해성 암치료제 개발

- 궁극적으로 프로테옴 기능의 조절을 통한 수많은 질병 치료가 가능한 스마트 약물 전달 시스템 개발의 초석 마련 약물전달 분야 세계적 학술지 ‘Journal of Controlled Release’ 게재 그림1. 왼쪽부터 연세대학교 임용범 교수, 권호정 교수, 구희범교수, 황현석 연구원 연세대학교 신소재공학과 임용범 교수, 연세대학교 생명공학과 권호정 교수, 그리고 가톨릭 의과대학 구희범 교수로 이루어진 공동연구팀은 낮은 약물동태학(pharmacokinetics) 특성을 보이는 기존 펩타이드 약물의 단점을 보완할 수 있는 나노바이오소재를 개발하였다. 이번에 개발한 자가조립 뎁시펩타이드 나노구조체(self-assembling depsipeptide nanostructure, SdPN)는, 높은 생체 안정성과 암조적 타겟팅 능력을 가지며, 세포 안에 도달하면 주위의 환경을 인식한 후 자동적으로 생분해가 되어 PPI 저해 항암 펩타이드를 방출하는 스마트 약물 전달 시스템이다. 세포 내 신호전달에 관여하는 단백질-단백질 상호작용(protein-protein interaction; PPI)은 유망한 약물 타겟으로 간주되고 있지만, 현재로선 적합한 약물을 개발하기에 매우 까다로운 타겟이다. 구조적 특성상 PPI는 넓고 얕은 결합면으로 이루어지기 때문에, 기존의 소분자(small molecule)를 이용한 약물의 개발이 쉽지 않은 실정이다. 이에 다양한 기능성 잔기들을 가지고 있으며, 안정적인 이차 구조를 형성할 수 있고, PPI interface에 알맞은 크기를 가진 펩타이드는 효과적인 PPI 억제제로 작용할 수 있다. 하지만, 펩타이드는 생체 내에서 약물의 신속한 가수분해(proteolytic digestion), 낮은 세포막 투과성 (cell membrane permeability), 낮은 생체 이용률(bioavailability), 신장에서의 높은 제거율(renal clearance) 등과 같은 좋지 않은 약물동태학적 특성로 인해 펩타이드 약물 상용화가 쉽지 않은 상황이다. 그림2. 연구 개요 (A) 단백질-단백질 간 상호작용을 억제할 수 있는 자가조립 뎁시펩타이드 나노구조체(SdPN)의 구성요소 및 자가조립 나노구조체의 구조. (B) SdPN의 암조직 제거 작동 메커니즘. PPI는 비극성표면을 통한 소수성 상호작용을 결합의 주요 원동력으로 사용한다. 특히, PPI interface에서 핵심적인 역할을 하는 hot spot은 대부분 소수성을 띠는 동시에 alpha-helix의 형태로 존재하여, 타이트하고 특이적인 PPI를 가능하게 만들고 있다. 이에 펩타이드 라이브러리 스크리닝 기술을 활용하여 PPI interface와 강력하게 상호작용할 수 있는 alpha-helix 기반의 펩타이드 약물을 찾는 연구는 활발히 진행 중에 있다. 이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 PPI를 억제할 수 있는 alpha-helix를 포함하는 자가조립 뎁시펩타이드 나노구조체(self-assembling depsipeptide nanostructure, SdPN)를 개발하였다. SdPN은 체내에서 자가조립을 유도하는 소수성 코어 부분, 소수성 코어 부분과 에스테르 결합으로 연결되어 세포 내 전달 이후 생분해를 통해 방출될 수 있는 alpha-helix 펩타이드 약물 부분, 세포 투과 펩타이드 부분으로 이루어져 있다. Alpha-helix 펩타이드 약물 부분은 hot spot이 주로 소수성 잔기로 이루어져 있다는 것에 착안하여, 자가조립(self-assembly) 과정에 참여하게 디자인하였다. 합성한 펩타이드를 물에 녹이면 자가조립을 통하여 자동적으로 분자들이 모여 나노캡슐 모양의 구조를 만드는 것을 검증하였다(그림 A). 해당 구조체의 alpha-helix 펩타이드 약물 부분은 암세포의 세포자살에 관련된 p53과 MDM2 간 상호작용을 억제하는 MDM2 Inhibitory Peptide (MIP)로 구성하였다. SdPN은 체내환경에서 안정적인 alpha-helix 구조를 유지하고 있었으며, 세포 내 전달 후 소분자 약물의 급격한 억제 작용과는 대조적으로 에스터 결합의 점진적인 생분해를 통하여 펩타이드 약물을 서서히 방출(controlled release)하였다(그림 B). 또한 동물 실험 결과, 소분자 약물 대비 고효율로 종양에 전달되어 강력한 항암 효과를 보이는 것을 확인하였다. SdPN은 모듈형이기 때문에, MIP외에 다른 약물로의 교체가 자유로운 것이 특징이다. 따라서, 범용성 PPI 조절 플랫폼으로 개발될 수 있다는 특장점이 있다. 이번 논문은 최세환, 황현석, 한성령 연구원이 공동 제1저자로, 엄호현, 최준식, 한상헌, 이동현,이수연 연구원이 공동 저자로 그리고 임용범 교수, 권호정 교수, 구희범 교수가 교신저자로 참여하였으며, 한국연구재단, 연세대학교 ICONS 사업, 가톨릭 교육 재단의 연구비 지원으로 진행되었다. 본 논문은 약물전달 분야의 세계적인 학술지인 Journal of Controlled Release (IF = 10.8 ; JCR 상위 3.9%)에 2024년 1월 게재되었다. 논문정보 논문제목: Inhibition of protein-protein interactions using biodegradable depsipeptide nanoassemblies 논문주소: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2023.12.028.

생명공학과 2024.01.11