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  1. 2017.08.18 자연을 모방해 내다! 생체모방기술
  2. 2015.08.10 홍합, 아직도 먹기만 하니?

자연을 모방해내다! 생체모방기술 

모방은 창조의 어머니라는 말이 있듯이 자연에 존재하는 생명체들의 특징을 이용하여 기술을 개발하는 경우가 많습니다. 대표적인 예로, 도꼬마리의 씨앗을 모방한 벨크로(찍찍이)가 있는데요, 이렇게 자연으로부터 기술을 창조해내는 경우가 상당히 많아지고 있습니다. 생활 속에 필요한 것들을 만들 때에 자연으로부터 모방하는 것과 마찬가지로, 자연의 아이디어를 통하여 의료용 소재들을 만드는 생체 모방 기술에 대하여 소개하려고 합니다.

 

SK Careers Editor 오두규

 

1. 홍합을 통하여 얻은 의료용 접착제


 

큰 병원에서 내부 장기들을 수술을 할 때에, 소변이나 소화액 등의 누수로 인한 감염과 재발의 위험이 항상 존재하였습니다. 이러한 것을 막기 위하여 인체에 해가 되지 않는, 즉 염증 반응을 일으키지 않고, 흉터도 최소화할 수 있는 의료용 접착제를 개발하려고 노력하였습니다. 이때, 홍합이 바위 등에 부착할 때, 사용하는 접착 단백질이 우리의 인체에도 효과가 있을 것이라고 생각을 하였고, 그렇게 해서 홍합으로부터 의료용 접착제가 만들어지게 되었습니다. 이 접착 단백질을 이용하게 되면, 성장인자가 이식재에 잘 달라붙게 되면서, 뼈 재생속도 또한 빨라지게 됩니다. 또한, 자연으로부터 만들어낸 의료 약품이기 때문에, 신체에도 무해하다고 말을 할 수가 있습니다. 우리의 몸에 무해하고, 흉터가 잘 생기지 않는 큰 장점 때문에, 홍합으로부터 만들어진 의료용 접착제의 미래가 아주 밝다고 말할 수 있습니다.

 

 

2. 피부 조직의 재생을 돕는 소재

우리의 몸에 좋다고 잘 알려져 있는 콜라겐. 콜라겐이 저희의 몸에 어떠한 것을 좋게 하는지 알고 계시나요? 콜라겐은 피부에 생기는 주름의 생성을 감소시켜주고, 우리의 몸의 면역력을 강화시켜 줍니다. 그래서 다양한 화장품들에 콜라겐이 상당히 많이 사용이 되고 있었는데, 이러한 콜라겐들은 주로 돼지나 말 같은 육상 동물에게서 주로 추출을 하고 있습니다. 하지만, 이렇게 추출을 하게 되면, 육상동물들의 질병이 인간에게 전염될 확률이 있어 안전한지에 대한 의문이 제기되었습니다. 그래서 해양 동물로부터 콜라겐을 추출해 내는 것을 연구하고 계시는 분들이 상당히 많습니다. 연구를 진행하던 와중, 생선의 껍질에 순도 높은 콜라겐이 많다는 것을 알게 되었고, 이를 통하여 피부세포의 증식률을 높일 수 있는 방법을 찾게 되었습니다. 위의 홍합으로부터 만들어진 의료용 접착제와 마찬가지로, 자연에서 추출해냈기 때문에, 인체에 무해하고 이와 관련된 의료용 약품들을 많이 생산해 낼 수 있을 것으로 기대가 됩니다.

 

 

3. 영생의 비밀을 파헤쳐줄 수 있는 랍스터

 

 

흔히 랍스터 하면 맛있는 요리들을 생각하실 텐데, 이 랍스터가 영생의 비밀을 파헤쳐 줄 수도 있다는 사실! 알고 계셨나요? 생명체들이 한정된 나이를 가지게 되는 이유를 말하자면, 생명체들이 계속 살기 위해서는 세포분열이 계속 일어나야 하는데, 세포분열이 일어날수록 염색체의 양 끝에 존재하는 텔로미어라는 부분이 점점 짧아지게 됩니다. 따라서 세포분열이 충분히 많이 일어나게 되면 텔로미어가 아주 짧아지게 되는데, 이러한 세포들은 대부분 죽게 됩니다. 그래서 생명체들이 영원히 살 수 없는 것입니다. 하지만, 랍스터 같은 경우에는 이 텔로미어라는 것을 복구할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 텔로미어를 복구해주는 효소를 텔로머라아제라고 하는데 이것을 활성화시킬 수 있기 때문입니다. 그래서 영생의 비밀을 밝혀내기 위하여 이 텔로머라아제에 대한 연구가 굉장히 활발하다고 합니다.

 

지금까지 자연으로부터 얻어낸 의료 기술 및 제품들을 세 가지를 알아보았습니다. 홍합이 바위 등에 잘 붙어있는 성질을 이용하여 만들어낸 의료용 접착제, 생선 비늘로부터 추출을 해낸 콜라겐, 그리고 영생의 비밀을 밝히기 위하여 연구되고 있는 랍스터까지 다양한 것들을 살펴보았는데요, 이것 외에도 자연으로부터 모방한 기술들은 아주 많고, 다양한 연구들이 진행되고 있습니다. 때로는 누구도 생각하지 못한 새로운 기술들이 인류의 기술들을 발전시키기도 하지만, 주위에 있는 것들의 원리를 파악하고, 그 성질을 이용한 기술을 개발함으로써 인류에게 도움이 될 수 있다는 것. 이러한 것을 생각해보면 우리들을 편하게 해줄 기술들은 아직 훨씬 많이 남아있다는 생각이 듭니다. 지금도 다양한 연구를 진행하며, 많은 노력을 하고 계실 분들께 파이팅을 전하는 바입니다.



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홍합, 아직도 먹기만 하니?

있는 음식재료로 우리에게 친숙한 홍합을 이제 식탁에서뿐만 아니라 수술실에서도 찾아 볼 수 있게 된다. 문어처럼 빨판이 있는 것도 아니고, 거미처럼 거미줄이 없어도 바위에 찰싹 달라 붙어 있는 홍합을 보고 그 원리가 궁금했던 적이 한 번쯤 있을 것. 지금부터 홍합의 비밀을 살펴보고, 그 원리에서 힌트를 얻어 고안된 홍합 단백질 접착제에 대해서도 알아보도록 하자. 

 

SK Careers Editor. 이별이


 

<바위 위에 붙어 있는 홍합, , 출처: pixabay >

 

나, 너한테 딱 붙어 있을래~
홍합이 파도와 부력을 이겨내고 바위 위에 붙어 있을 수 있는 이유는 홍합이 접착단백질(Adhesive Protein)을 자체적으로 생산해내기 때문이다. 바다 환경에 근거할 때, 홍합의 접착단백질은 현존하는 접착제에 비해 상대적으로 물리적 충격(파도), 수분, 염분 등에서도 강한 접착력을 지닌다고 판단할 수 있다.

 

 


<홍합 접착 단백질의 단백질 구조, 족사(Thread)와 플라크(Plaque), 출처: (학술저널)해양홍합 유래 바이오-접착소재 개발 동향, 차형준, 황동수, 임성혜, 접착 및 계면(Adhesion and interface), Vol.9 No.4 [2008], 한국접착및계면학회>


홍합 접착 단백질은 족사(Thread)와 족사 끝에 위치한 플라크(Plaque)로 구성되어 있다. 현재까지 홍합 접착 단백질에서는 3가지 콜라겐 단백질과 6가지 fp(족사 단백질, Foot protein)이 발견되었다. 플라크와 접착 대상물의 접점에 다량으로 포함된 fp-3, fp-5 단백질은 가장 많은 Dopa(친수성 아미노산으로, 이것의 함유량과 접착력은 비례함)를 가지고 있어 접착력이 가장 우수한 단백질이다. 그러나 홍합 단백질 접착제의 가장 주된 연구대상은 최초로 발견된 족사 단백질인 fp-1으로, 습한 환경에서의 홍합 접착에 주요 역할을 한다.

하지만 자연상태에서의 홍합 접착 단백질은 단순히 점성을 가진 액체에 불과하기 때문에 의료용 봉합제로 사용하기 위해서는 단백질의 분자구조를 변형할 필요가 있다. 이때 곤충 관절의 유연성을 담당하는 단백질인 다이타이록신(Dityrosine)이 이를 해결할 힌트가 되었다.

 


<잠자리 등 곤충 관절의 단백질인 다이타이록신, 출처: pixabay>

 

추출된 홍합 접착 단백질(Cell-Tak, MAP 등의 fp-1 추출 혼합물)에 의료용 청색광을 비추면 다이타이론신과 유사한 형태로 분자 구조가 변형되어 점성이 강한 의료용 생체 접착제로 이용 가능한 형태가 된다. 이로써 생산된 홍합 단백질 접착제는 다음의 두 가지의 특성을 갖는다.
 
홍합이 선박, 동물의 표면, 유리 등 다양한 물체 표면에 부착될 수 있다는 점과 화학 접착 물질이 접착력을 유지하기 어려운 해양 환경에서도 접착제로서의 내구성이 강하다는 점은 홍합 단백질 접착제의 우수한 접착력을 확인할 수 있는 근거가 된다. 또한 청색 빛의 가시광선을 추출된 홍합 접착 단백질에 쏘아 기존의 접착 소재의 3배에 달하는 접착력을 확보했다.


홍합 단백질 접착제는 자연물에서 추출한 단백질을 기반으로 하기 때문에 인체 외부 봉합뿐 아니라 내부에 사용하더라도 안전성이 높은 생체 접착제이다. 따라서 기존 수술용 실이나 화학 접착제 등과는 달리 연약한 피부조직에의 수술 후 흉터와 염증을 최소화할 수 있다는 특징을 갖는다.

 

지금까지 홍합 단백질 접착제에 대해 알아보았다. 이처럼 바이오(Bioindustry)는 생물의 특정 기능과 성분을 개량해 이들을 대량생산하거나 유용한 물질로 전환하는 산업을 의미한다. 이에 대해 조금 더 알아보기 위해 카이스트 바이오메디컬 약물체 전달 연구실(Biomedical Micro-Nano Delivery Laboratory) 박사과정으로 소속된 노일구(29) 씨를 만나 홍합 단백질 접착제가 가져올 앞으로의 바이오 산업에 대해서도 들어 봤다.

 

Q1. 연구결과나 언론 기사에 근거할 때, 홍합 단백질 접착제가 의료 분야에서 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대되는데, 해당 분야에서 공부하시는 박사님께서도 이에 동의하시나요?
동의합니다. 지금까지의 연구들은 대량 생산이 가능한 화합물을 개발하는 것이 주를 이루었습니다. 화합물은 생체 친화성이 많이 떨어진다는 단점이 있으나 홍합 단백질 접착제과 같은 생체 추출물의 경우 생체 친화성뿐만 아니라 환경에도 무해하다는 장점이 있습니다. 하지만 생체 추출물은 생산성이 떨어진다는 문제를 갖고 있는데, 홍합 단백질 접착제는 대량 생산을 가능케 하기 위한 연구도 함께 진행되어 그 성과가 더욱 기대되는 케이스라고 볼 수 있습니다.

 

Q2. 향후 바이오 분야가 어떤 방향으로 성장할 것이라 예상하시나요? 예를 들어, 의료기술이나 대체식품 등 두각을 드러낼 수 있을 것이라 기대되는 분야나 향후 바이오 산업의 방향성에 대해 말씀해 주세요.
바이오에서는 이전부터 연구되어왔던 항암제 등의 치료목적 연구도 활발하게 진행되고 있지만 그 중에서도 ‘바이오의 생활화’에 최근 초점이 맞춰지고 있는 것 같다. 혈당계나 임신진단키트 등에서 더 나아가 최근 스마트폰이나 스마트워치 등에도 바이오 관련 기술을 적용함으로써 우리생활과 바이오가 더 가까워지는 방향으로 발전되고 있다.
또한 의료기술의 경우에는 수술할 때 절개부위를 최소화하는 ‘맞춤형 진단’ 기술이 강조되고 있으며, 신약개발 분야에서는 원하는 부위에만 약물 작용을 유도하여 부작용을 최소화 할 수 있는 ‘prodrug’라는 이름의 약물 연구가 최근 바이오 산업의 동향이다.

 

Q3. 홍합 단백질 접착제는 25년 전부터 연구되었던 분야입니다. 실제로 박사님께서도 오랫동안 이 분야에 몸을 담고 계시는데, 이와 같이 한 가지 학문분야만을 오랫동안 공부하다 보면 연구의 어려움이 발생하거나 포기하고 싶은 순간이 있을 것으로 생각되는데요. 이때 어떤 의지와 다짐이 필요한지 궁금합니다.


저 또한 여러 어려움들을 겪었습니다. 당연하게 생각하는 ‘A는 B이다’의 과정을 30번 넘게 반복한 경험도 있었고, 실험 결과, 최초에 수립했던 가설이 무너져서 실험을 처음부터 다시 설계해야 하는 일들도 있었죠. 그럼에도 새로운 물질을 만드는 것이 현실이 될 때의 즐거움과 본인이 연구하는 분야에서 ‘내가 최고다’하는 느낌이 이때의 어려움을 이겨내고 계속해서 연구할 수 있게 하는 동기라고 생각해요.

 

 

홍합 단백질 접착제는 연 140억 달러 규모의 의료 봉합 시장에서 각광받을 것으로 기대되고 있다. 그간 큰 수술에는 그에 따르는 흉터 때문에 큰 고민을 가진 경우가 마데, 많은 환자들의 이런 고민을 덜어줄 수 있어 참 고마운 기술이라고 생각된다. 이처럼 자연물에서 힌트를 얻어 인간에게 보다 안전하고 유용한 물질을 생산해내는 바이오 산업은 그것의 금전적인 가치도 무시할 수 없을 수 없지만 우리 삶의 질을 개선한다는 점에서 매우 중요한 분야라고 판단된다.

 

 


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