동결된 세포를 DNA 나노기술로 잠 깨우다
안동준(고려대)·김도년(서울대) 교수팀 연구결과 Science Advances 게재
DNA 오리가미 구조체 세포동결보존 사용된 첫 사례이자
결빙제어 소재 성능 분석 위해 딥러닝 도입한 첫 사례

▲ 왼쪽부터 안동준 고려대 교수김도년 서울대 교수이찬석 서울대 박사이예담 고려대 석박사통합과정생

공과대학 화공생명공학과(KU-KIST융합대학원 겸임) 안동준 교수, 서울대 기계공학과 김도년 교수 연구팀은 세포를 극저온 동결보관 시 화학적 동결보존제보다 훨씬 낮은 농도로도 더 높은 복원 성능을 얻을 수 있는 생체적합 DNA나노소재를 개발했다.
* 동결보존제 : 세포 및 생체시료의 냉동보관 시 회수율을 높여주기 위해 첨가하여 냉동하는 물질로, 크게 현재 산업적으로 널리 사용되는 화학적 동결보존제와 극지방의 동물들에서 발견되는 결빙제어 단백질과 같은 생물학적 동결보존제가 존재함.

이번 연구 결과는 2022년 10월 융합과학기술 분야 권위 학술지인 Science Advances (IF=14.972)에 게재됐으며, 연구팀은 다수의 국내외 특허 포트폴리오를 확보했다.
- 저자정보: 안동준(교신저자/고려대학교), 김도년(교신저자/서울대학교), 이찬석(공동1저자/서울대학교), 이예담(공동1저자/고려대학교), 정우혁(고려대학교), 김태연(서울대학교), 김태휘(서울대학교)- 논문명: Peptide-DNA origami as a cryoprotectant for cell preservation- DOI: 10.1126/sciadv.add0185

- DOI : 10.1126/sciadv.add0185

최근 줄기세포, 제대혈, 정자와 난자의 냉동보관 및 다양한 세포치료제의 발명 등에 이르기까지 의학 발전이 고도화됨에 따라, 고부가가치 생체 시료/제품들의 안정적인 동결보존 방법에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이는 콜드체인 분야의 산업발달로도 나타나며, 2023년에는 세계 세포치료제 시장의 규모가 4,420억 달러에 이를 것으로 전망되고 있고 세포뱅킹 시장 역시 지속적인 성장을 하고 있다.
*  세포치료제: 세포와 조직의 기능을 복원시키기 위하여 살아있는 세포(자가, 동종, 이종)를 체외에서 배양, 증식하거나 선별하는 등 물리적, 화학적, 생물학적 방법으로 세포의 생물학적 특성을 변화시키는 일련의 행위를 통하여 치료, 진단, 예방 목적으로 사용되는 바이오 의약품.


하지만 다이메틸설폭사이드(DMSO) 등 기존의 화학적 동결보존제는 생체 독성을 갖고 있으며, 어는 점을 낮추기 위해 과량을 사용하는 과정에서 생체시료를 손상시킬 수 있고 해동 후 생체 주입 시 부작용을 일으키는 문제가 있다. 이로 인해 해동 이후 최대한 노출시간을 적게 하거나, 해동 직후의 생체시료는 사용하지 못한다는 단점이 있다. 이외에도 고부부가가치의 생체시료의 경우에는 동결 과정에서 발생하는 손상에 더 취약할 수 있어, 각각의 생체시료에 알맞은 맞춤형의 동결보존제를 필요로 한다.

연구팀은 DNA 나노기술로 제작한 오리가미(Origami) 구조체에 결빙제어 성능이 있는 단백질 시퀀스를 결합 및 배열하여, 세포독성이 없으면서 1/3,500배의 극미량 농도에서도 기존의 화학적 동결보존제(DMSO)보다 약 50% 높은 세포복원율을 보이는 동결보존 소재를 개발했다. DNA의 상보적 결합성을 이용하면, 결빙제어 작용기의 종류와 배열을 다양화할 수 있으므로 이후에도 높은 발전 가능성을 보였다. 

* DNA 오리가미 구조체: DNA 오리가미는 매우 긴 DNA 가닥 하나와 수백 개 이내의 짧은 DNA 가닥을 이용해 나노미터 단위의 구조물을 조립하는 방법으로, DNA는 염기서열의 상보적 결합을 이루기 때문에 짧은 DNA 가닥의 염기서열을 잘 설계하면 긴 DNA의 특정 위치와 상보적으로 결합하면서 원하는 형상의 나노 구조체를 만들 수 있음.


이번 연구 결과는 DNA 오리가미 구조체를 세포동결보존에 사용된 첫 사례이며, 결빙제어 소재의 성능을 분석하기 위해 딥러닝을 도입한 첫 사례이다. 특히 해당 소재는 화학적 동결보존제와 비교하여 특히 장기간 보존 시 그 장점이 두드러졌으며, 이번 연구로 DNA 오리가미 나노패치의 동결보존 메커니즘을 알 수 있었기 때문에 이를 활용하여 다양한 생체시료에 적용을 확대해 나갈 계획이다.
* 딥러닝 : 컴퓨터 프로그램이 알고리즘을 사용하여 데이터에서 패턴을 찾는 인공 지능 애플리케이션으로 본 연구에서는 세포 내부 얼음의 크기를 정량화 하는 용도로 사용하였음.

DNA 기반 동결보존 소재의 원천기술을 확보한 것으로 평가되며 관련기술들로 등록된 국내특허 2건과 국제특허(일본) 1건, 출원된 국제특허 2건(미국, 유럽), 추가 출원진행중인 국제특허 4건(미국, 일본, 유럽, 중국)의 특허포트폴리오를 구축하고 있다. 이번연구는 한국연구재단의 지원(미래소재디스커버리 연구과제)으로 이루어졌다.


[ 용 어 설 명 ] 

1. 동결보존제
○ 세포 및 생체시료의 냉동보관 시 회수율을 높여주기 위해 첨가하여 냉동하는 물질로, 크게 현재 산업적으로 널리 사용되는 화학적 동결보존제와 극지방의 동물들에서 발견되는 결빙제어 단백질과 같은 생물학적 동결보존제가 존재함.

2. 세포치료제
○ 세포와 조직의 기능을 복원시키기 위하여 살아있는 세포(자가, 동종, 이종)를 체외에서 배양, 증식하거나 선별하는 등 물리적, 화학적, 생물학적 방법으로 세포의 생물학적 특성을 변화시키는 일련의 행위를 통하여 치료, 진단, 예방 목적으로 사용되는 바이오 의약품.

3. DNA 오리가미 구조체
○ DNA 오리가미는 매우 긴 DNA 가닥 하나와 수백 개 이내의 짧은 DNA 가닥을 이용해 나노미터 단위의 구조물을 조립하는 방법으로, DNA는 염기서열의 상보적 결합을 이루기 때문에 짧은 DNA 가닥의 염기서열을 잘 설계하면 긴 DNA의 특정 위치와 상보적으로 결합하면서 원하는 형상의 나노 구조체를 만들 수 있음.

4. 딥러닝
○ 컴퓨터 프로그램이 알고리즘을 사용하여 데이터에서 패턴을 찾는 인공 지능 애플리케이션으로 본 연구에서는 세포 내부 얼음의 크기를 정량화 하는 용도로 사용하였음.



 [ 그 림 설 명 ] 


(그림1) DNA 기반 결빙제어 나노소재의 세포보호 메커니즘
DNA 오리가미 구조체에 결빙제어 성능이 있는 단백질 시퀀스를 결합 및 배열하여, 생체물질을 기반으로 만든 결빙제어 나노소재를 개발하였음. DNA 기반 결빙제어 나노소재는 동결보관 시 세포의 외부와 내부에서 형성되는 얼음의 결빙을 억제하며, 세포막을 보호하는 작용도 하여 해동 후 대조군 보다 높은 세포생존율을 보임.



(그림2) DNA 기반 결빙제어 나노소재의 세포동결보존 시 우수성과 연구성과
기존의 화학적 동결보존제(DMSO)와 동일한 냉동기간 이후 세포생존율을 비교한 결과, DNA 기반 결빙제어 나노소재의 세포생존율이 높았으며 특히 장기간 보관에서 그 효과가 두드러짐. 본 연구는 머신러닝을 결빙제어 성능평가에 활용한 첫 사례로 세포내부의 얼음을 추적하여 재결정화되는 정도를 확인하였으며 DNA 기반 결빙제어 나노소재를 이용한 경우 재결정화가 억제되어 세포내부 얼음크기가 작게 유지되는 것을 확인하였음.


커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)