연재기사 706 … NICE, 제27권 제6호, 2009 서론 2006년의 노벨 화학상은 X-선 결정법(X-Ray Crystallography)이라는 광학정보기술을 이용하고, 결합(화학) 반응을 유도하는 RNA 폴리머라제라는 효소에 의해 DNA에서 mRNA로 유전자 코드가 완 벽하게 복사되는 전사(Transcription)의 메커니즘을 밝혀낸 공로로 미국 Stanford 대학의 Roser Kornberg 교수가 수상했다. 2009년의 노벨 화학상은 X-선 결정 법과, 2009년 노벨 물리학상을 수상한, 디지털 카메라 에 탑재되는 광 검출기인 전하결합소자(CDD)인 광 학 센서를 이용해 단백질 공장인 리보솜(Ribosomes) 에서 mRNA가 가져온 유전자 코드를 완벽하게 번역 (Translation)하여 단백질을 만드는 메커니즘을 밝혀 낸 공로로 영국/미국/이스라엘의 세분의 과학자들이 수상했다. 이들은 모두 기존의 화학공학기술에 광학 정보기술과 바이오기술을 융합함으로써 생명과학의 비밀을 풀어낸 것이다. 이제 여러 기술들을 융합하지 않고는 화학공학의 미래는 없다는 의미이다. 이에 대 해 자세히 살펴보고 이외의 몇 가지 최첨단 융합사례 를 들어 화학공학의 미래를 전망해보기로 한다. 2006 노벨 화학상 우리 몸이 유전자에 저장된 정보를 이용하려면 복 사(Copy)가 반드시 먼저 일어나야 하고 그 다음 만들 어진 물질(단백질)들을 세포 외부로 내보내야 한다. 예를 들어 유전 정보는 단백질 생산을 위한 명령으로 2006년 노벨 화학상은 X-Ray 결정법이라는 광학정보기술을 이용해 유전정보의 전사의 메커니즘을 밝혀내 수상했다. 2009년 노벨 화학상은 X-Ray 결정법에 광학센서 기술을 이용해 리보솜에서의 단백질 생산인 번역의 메커니즘을 밝혀 내 수상했다. 또한 다른 화학자들과 화학공학도들은 바이오기술과 여러 다양한 기술을 융합에 탄소나노튜브와 DNA를 합성한 다기능 다용도의 3차원 나노결정 구조물질을 창조하는가 하면 몸 속에서 작동하는 다용도 RNA 컴퓨터를 만들 어 냈다. 이들의 창의와 창조는 인류의 혁명과 인류의 삶의 질을 위해 도전한 결과이다. 그러나 이들의 영광과 명예의 전당 핵심기술은 바로 화학기술이라는 점이다. 따라서 이제부터는 기존의 화학기술에 다양한 학문과 기술을 융합하는 화학융합기술에 도전해야 하는데, 이는 화학공학도들의 몫이며 도전이다. “새로운 비트(BIT)가 온다(III)” 바이오화학융합과 화학공학융합의 미래 차원용 아스팩미래기술경영연구소 소장, [email protected]
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연재기사
706 … NICE, 제27권 제6호, 2009
서론2006년의 노벨 화학상은 X-선 결정법(X-Ray
Crystallography)이라는 광학정보기술을 이용하고,
결합(화학) 반응을 유도하는 RNA 폴리머라제라는
효소에 의해 DNA에서 mRNA로 유전자 코드가 완
벽하게 복사되는 전사(Transcription)의 메커니즘을
밝혀낸공로로미국Stanford 대학의Roser Kornberg
교수가수상했다. 2009년의노벨화학상은X-선결정
법과, 2009년노벨물리학상을수상한, 디지털카메라
에 탑재되는 광 검출기인 전하결합소자(CDD)인 광
학 센서를 이용해 단백질 공장인 리보솜(Ribosomes)
에서 mRNA가 가져온 유전자 코드를 완벽하게 번역
(Translation)하여 단백질을 만드는 메커니즘을 밝혀
낸 공로로 국/미국/이스라엘의 세분의 과학자들이
수상했다. 이들은 모두 기존의 화학공학기술에 광학
정보기술과 바이오기술을 융합함으로써 생명과학의
비 을 풀어낸 것이다. 이제 여러 기술들을 융합하지
않고는 화학공학의 미래는 없다는 의미이다. 이에 대
해 자세히 살펴보고 이외의 몇 가지 최첨단 융합사례
를들어화학공학의미래를전망해보기로한다.
2006 노벨 화학상우리 몸이 유전자에 저장된 정보를 이용하려면 복
사(Copy)가반드시먼저일어나야하고그다음만들
어진 물질(단백질)들을 세포 외부로 내보내야 한다.
예를 들어 유전 정보는 단백질 생산을 위한 명령으로
2006년 노벨 화학상은 X-Ray 결정법이라는 광학정보기술을 이용해 유전정보의 전사의 메커니즘을 밝혀내 수상했다.
2009년 노벨 화학상은 X-Ray 결정법에 광학센서 기술을 이용해 리보솜에서의 단백질 생산인 번역의 메커니즘을 밝혀
내 수상했다. 또한 다른 화학자들과 화학공학도들은 바이오기술과 여러 다양한 기술을 융합에 탄소나노튜브와 DNA를
합성한 다기능 다용도의 3차원 나노결정 구조물질을 창조하는가 하면 몸 속에서 작동하는 다용도 RNA 컴퓨터를 만들
어 냈다. 이들의 창의와 창조는 인류의 혁명과 인류의 삶의 질을 위해 도전한 결과이다. 그러나 이들의 광과 명예의
전당 핵심기술은 바로 화학기술이라는 점이다. 따라서 이제부터는 기존의 화학기술에 다양한 학문과 기술을 융합하는
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 27, No. 6, 2009 … 707
차원용
그림 1. X-선 결정법에 의한 RNA-polymerase ↔ DNA(ds)↔ RNA(ss)라는 트라이앵 과정 구조화(노벨상위원회, 2006).
것이며, DNA에서 RNA를 먼저 합성하고, 그 다음
DNA의 정보를 RNA로 전사할 때 염기들의 정확한
화학(결합) 반응을유도하는것은바로RNA 폴리머
라제효소이며, RNA 폴리머라제효소와염색체에있
는DNA 폴리머라제효소가상호협력한다는사실을
밝혀낸것이다.
2009 노벨 화학상전사(Transcription)가 있으면, 그 다음 mRNA에
전사된 유전 정보를 mRNA가 공장인 리보솜
(Ribosome)으로 가져가 번역(Translation)하는 과정
이있어야한다. 앞서소개한2006년의노벨화학상은
전사(Transcription)의메커니즘을밝혀수상했다. 이
번 2009년도노벨화학상은따라서나머지단계인번
역(Translation)의 메커니즘을 밝혀 수상했다는 점이
다. 즉, 2009년 노벨 화학상 수상자들은 세포 내의 일
련의 단백질 공장(Protein factory)인 리보솜에서의
DNA 정보를 생명으로 번역하는 메커니즘을 밝혀낸
것이다. 이 과정을 통해 리보솜은 단백질을 생산하고,
단백질은모든살아있는유기체들에서생명을구축하
고 화학반응(화학 상호작용)을 제어한다. 이는 리보
솜은 생명에 필수적이라는 뜻이며 따라서 새로운 항
생제(New antibiotics)를 위한 주요 표적이라는 뜻이
다. 수상자들은 이러한 역할을 하는 리보솜이 어떻게
생겼으며 원자 수준에서 어떤 기능을 하는지를 밝혀
냈다. 3분의 수상자들은 모두 X-선 결정법(X-ray
crystallography) 매핑 방법과 2009년 노벨 물리학상
을 수상한 디지털 카메라에 들어가는 광학센서를 이
용해 리보솜을 구성하는 수십만 개의 각각의 원자들
의위치들을그림으로그려냈다.
708 … NICE, 제27권 제6호, 2009
연재기사-새로운비트(BIT)가온다(III)
그림 2. DNA에서 단백질까지, 생명의 코어 프로세스(노벨상위원회, 2009).
모든 유기체들 내의 모든 세포 안에는 DNA 분자
들이 있다. 이 DNA 분자들은 어떻게 인간이 되는지,
하나의 식물이 어떻게 생명을 유지하고, 하나의 박테
리아가 어떻게 삶을 위하는지 등의 청사진
(Blueprints)인 유전자 코드인 코돈(Codon)을 갖고
있다. 그러나 DNA 분자들은 수동적(Passive)이라는
점이다. 만약 이 청사진을 번역하고 실제로 만들어 낼
수있는다른것들이존재하지않는한어떠한생명체
도살아남을수없다. 따라서이청사진들은리보솜의
작업에 의해 실제 살아 있는 실체로 변형되게 된다.
DNA에있는정보(코드)에따라리보솜은단백질들을
만든다. 예를들면, 폐에서몸전체에산소를실어나르
는 헤모 로빈(oxygen-transporting haemoglobin),
바이러스 등의 항원에 침투하여 항원(antigens)을 죽
이는 면역 시스템이 분비하는 항체들(antibodies), 혈
당의 수치가 높아 질 때 이를 낮추는 인슐린 같은 호
르몬(hormones such as insulin), 피부의 콜라겐
(collagen), 설탕을 분해해 에너지를 만드는 효소
(enzymes), 머리카락이나 손톱을 길러내는 케라틴
(Keratin) 등 우리 몸에는 수십만 개의 단백질들이
존재하는데, 이들 단백질들은 형태가 서로 다르고 기
능도서로다르다.
이들이 밝혀낸 가장 혁혁한 공로는 생명의 과학적
이해를 제시한 것이다. 따라서 실제적이고 즉각적으
로 활용할 수 있다. 예를 들면 오늘날 대부분의 항생
제는 박테리아나 병원균의 리보솜의 기능을 막거나
파괴하여 질병을 치료하는 것이다. 왜냐하면 기능성
의 리보솜이 제거되면 박테리아들은 절대 살아 남을
수 없다. 이게 바로 새로운 항생제를 위해 리보솜이
새로운 표적으로 떠오르고 있는 이유이다. 수상자들
은 서로 다른 항생제들이 리보솜에 어떻게 달라 붙는
지 3차원 모델로 제시했다. 이들이 제시한 모델들은
현재 새로운 항생제를 만드는데 사용되고 있으며, 생
명을 살리고 인간의 고통을 줄이는데 획기적인 역할
을하고있다.
미래의 화학공학에 도전탄탄소소나나노노튜튜브브++DDNNAA == 33차차원원 나나노노결결정정 구구조조물물질질 -
2008년1월31일, 탄소나노튜브기술과DNA의메커니
즘을이용하는기술이발견되었다. 미국노스웨스턴대
의 화학과 및 국제나노연구소의 채드 미르킨(Chad
Mirkin) 교수 및 박성용 박사(Park & Mirkin et al.,
2008), 그리고 미국 브룩해븐연구소의 기능성 나노물
질 센터와 생물학과의 과학자들이(Nykypanchuk &
Gang et al., 2008) DNA의 상보성 원리와 자기조립
원리를 이용해 스스로 조립되는 콜로이드 10나노입자
의3차원결정구조물질을만들었다.
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차원용
그림 3. (A) Nykypanchuk & Gang et al.(2008)과 Park &Mirkin et al.(2008)이 상보성의 염기가 코팅된 두종류의 10나노크기의 금 나노입자(공)를 결합. A입자(빨강색)와 B입자(파랑색)는 수십 개의 DNA 염기 가닥이 코팅되어 있어 상보성의 원리에 의해CH2 공유결합을 한다. 이들 가닥들의 끝에 바로상보성 염기들이 코팅되어 상보성에 따라 결합하는데, 이를 금과 악수하기(Golden Handshake)라 부른다. (B) 물에서의 혼합과 온도 조절을 통해 고온에서는 서로 결합하여 3차원 결정체를 이루고 다시 온도가 냉각되면 용해 분리되어 금 나노입자로 되돌아 간다. 본 그림은 금 나노입자들이 자기조립하여 커다란 잘 배열된(Ordered), 빨강입자A를중심으로 8개의 B입자들이 대칭을 이루어(이를body-centred-cubic, b-c-c라 부름) 3차원 큐빅의 결정체 어레이를 구축한 이미지이다. 이를 잘 활용하면 하나의 셀(Cell)에 A를 게이트웨이로 하여 총8개 이상의 정보를 담을 수 있고, 8개 이상의 약을담아 몸 안에 침투시킬 수 있다(Crocker, 2008).
이들은 10나노 금(Gold) 입자(AuNP, Au Nano
Particle)인A에수십개의DNA 염기가닥을코팅하
고, 여기에 대응하는 상보성의 DNA 염기 가닥이 입
힌또다른금나노입자B를혼합하여, 스스로조립되
는 3차원 구조 결정체의 나노물질을 발견한 것이다.
이를 금과 악수하기(Golden Handshake)라 부른다
(Crocker, 2008). 따라서앞으로일반성질이아닌특
정 성질을 가진 기능성의 나노 복합체나 메타물질을
원하는 3차원 구조로 만들 수 있는 발판을 마련한 것
으로, 향후광학/전자물질, 태양전지, 각종화합물, 그
리고 약물전달 물질로 활용할 수 있을 것으로 기대하
고있다.
몸몸 속속에에서서 작작동동하하는는 다다용용도도 RRNNAA 컴컴퓨퓨터터 - 2008년 10