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생물거대분자 (biomacromolecules)는 독특한 자리 조립 방식을 나타내며 각종 복합적인 구조를 제어할 수 있는 장치를 갖고 있어서 여러 기능을 가진 생물 나노 재료의 가공 및 제조에 있어서 아주 아름다운 예가 된다. 그 가운데 제어가 가능한 핵산-단백질 나노 복합 시스템의 구축은 생물학에서 두 가지의 기본적인 조립 방식을 유효하게 결합함으로써 점차 복잡해지는 생물학적 구조의 template를 제공하여 체내의 생물 거대 분자 상호작용을 더 깊이 이해하는데 도움이 되며, 생체 모방에 기초한 부품의 제조와 생물 의학에서의 응용에서 깊은 연관성을 갖고 있다. 최근 DNA나노 기술은 많은 사람들이 주목할만한 연구 성과를 얻었다. 연구자들은 컴퓨터의 도움으로 DNA사슬의 상보적 결합이라는 원리에 기초하여 정교한 구조들을 만들어 내었다. DNA의 고차 구조는, DNA포획 사슬 단백질 표면에 DNA조각을 이용하여, 단백질 개체가 정해진 위치에 순서대로 배열되도록 하여 DNA-단백질 복합 나노 구조를 프로그램화 할 수 있는데 널리 응용할 수 있다. 그러나 단백질 표면 아미노산 잔기를 이용하여 DNA 공유결합 가교 방법은, 작용기를 수식함으로 인해 생기는 기능성 단백질 활성의 손상, 수식 위치 및 방향의 통제가 불가능하다는 점, 생체 내 자기 조립에 대해서는 조작 시스템이 적당하지 않다는 점 등을 포함하여 우회하기 어려운 몇 가지 단점을 가지고 있어서 더 이상의 발전에 장애물이 되고 있다. 따라서 일부 과학자들은 streptavidin-biotin 상호 작용, 특정 aptamer 및 DNA 결합 단백질과 같은 비공유 교차 결합 방법을 사용하여 DNA scaffold - 단백질 나노 복합체 구조의 조립 연구를 수행한다. 그러나, 이러한 연구는 현재 DNA scaffold상에 특정 단백질 개체의 결합 배열에 국한되어 있으며, 후속의 조합 제어는 아직 다루지 못하고 있는 실정이다. 보다 진보된 배열이 있는 핵산과 단백질 복합 구조를 만들고 단백질분자 화학 계산학 분야와 in situ 조립 제어 방법은 핵산과 단백질이 결합된 생물 나노 재료가 안고 있는 중요한 도전이라고 할 수 있다. 이러한 도전에 맞서, 중국과학원 소주 나노기술 및 나노 biomimetic연구소의 왕강빈(王强斌) 연구 그룹은 기존의 연구를 통해 이룩한 토대 위에 ( ACS Nano , 2018, 12, 1673-1679; Adv. Mater ., 2017, 29, 1606533; J. Am. Chem. Soc ., 2016, 138, 1764-1767; Small , 2016, 12, 4955-4959; J. Am. Chem. Soc ., 2015, 137, 457 ndash;462; J. Am. Chem. Soc ., 2013, 135, 11441 ndash;11444.), 처음으로 바이러스 단백질과 게놈 RNA가 갖고 있는 작용 메커니즘을 이용하여 DNA scaffold상에서 in situ로 제어할 수 있는 시스템을 설계하고 DNA-단백질 복합 구조를 다 차원에서 제어할 수 있는 구조를 선보였다. 바이러스는 자기 조립이 가능한 전형적인 예로서, 바이러스의 조립 과정은 매우 높은 특이성과 효율을 갖고 있어서 단시간 내에 약한 결합을 이용하여 다수의 바이러스 입자를 조립하여 생산할 수 있다. Tobacco mosaic virus,(TMV)를 예를 들어서 연구팀은 다른 조건 아래에서 TMV 게놈 RNA와 캡시드 단백질 사이의 상호 작용 원리와 바이러스 입자 조립의 조절에 대해 깊이 연구하였다. TMV 게놈 특이적인 조립 개시 서열은 핵산과 바이러스 캡시드 단백질의 특이적 결합을 유도하고 체외에서 다시 조립할 수 있도록 하며 바이러스 단백질 튜브의 조립 길이는 RNA길이에 따라 결정되기에 단백질 도메인의 정확한 제어를 가능하게 해 준다. 연구팀은 1차원에서 3차원까지 DNA origami 주형(template)을 만들어서 서로 다른 길이의 TMV RNA 재조합 서열을 가교 결합하여, 후속의 in situ조립과정을 이끌게 된다. 가교 결합 위치와 서열의 설계를 통해서 바이러스 단백질 튜브가 DNA scaffold특정 위치에 정해진 위치에서 일정한 조립 프로그램에 따라서 정해진 조립 성장을 할 수 있고, 단백질 튜브가 in situ에서 조립할 수 있는 길이를 제어할 수 있다는 것을 제시하였다. 이러한 결과는 복잡한 DNA-단백질 복합 조립 시스템을 구축하는데 있어서 새로운 전략을 제공한다고 볼 수 있다. 이 전략은 보편적이며, DNA 종이 접기가 다른 탐침 (probe)과 결합하여 기능적 벡터로서의 가능성을 보여 주며, 바이러스 집합체 및 감염 메커니즘에 대한 연구의 가능성을 갖고 있고, 생물 의학 응용 분야에서 DNA나노 기술의 적용에 대한 새로운 시각을 제공한다. 이러한 연구는 미국화학회지( J. Am. Chem. Soc. , 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b03914)에 실렸다. 해당 연구는 국가자연과학기금과 국가 중점 연구개발 계획을 통해 지원을 받았다. |
