정아람 교수팀, 대용량 고효율 세포내 물질 전달
바이오칩 개발
국제 저명학술지 나노 레터스 (Nano Letters)에 논문 게재
고려대학교 보건과학대학 바이오의공학부 정아람 교수 연구팀은 분당 백만 개 이상의 세포 속으로 다양한 나노 물질(유전자 가위 물질, 핵산, 단백질, 플라스미드 등)을 넣을 수 있는 관성 미세유체 플랫폼(inertial microfluidic platform)을 개발했다.
이 연구는 국제 저명학술지 나노 레터스(Nano Letters, Impact factor = 12.71) 3월 23일자로 게재됐다.
※ 논문명 : Intracellular Delivery of Nanomaterials via an Inertial Microfluidic Cell Hydroporator
※ 주저자 : 정아람 교수(교신저자, 고려대)
세포 속으로의 물질 전달은 세포생물학 또는 세포공학의 가장 기본적인 실험 과정 중의 하나다. 예를 들어 유전자의 특정 DNA 부분을 제거하는 유전자 편집(Genome Editing) 기술 즉, 유전자 가위 기술의 시작은 세포 속으로 편집의 대상이 되는 DNA의 상보적 염기를 지니는 RNA(gRNA)를 지닌 크피스퍼(CRISPR)와 표적(target) 유전자를 찾아가 잘라내는 카스-9(Cas-9)이라는 단백질 효소를 세포 속으로의 전달이다. 이외에도 모든 생물학 실험실에서 거의 매일 이루어지는 특정 유전자의 발현 (gene expression) 또는 억제 (knockdown; gene silencing) 기술 또한 핵산(siRNA 또는 shRNA)이나 프라스미드 (plasmid)의 세포내 전달로 시작이 된다.
[그림 설명] 세포내 물질(핵산, 플라스미드, 유전자 가위 물질, 나노 물질)의 전달을 통한 다양한 세포생물학 또는 세포공학 연구 방향 모식도
이를 위해서 현재는 바이러스, 마이크로니들(microneedle), 전기천공(electroporation) 또는 Lipofectamine(cationic lipid molecules)을 이용하여 표적 물질들을 세포 속으로 전달하는데, 이 방법들은 안정성, 가격, 효율에 한계를 보인다. 이를 극복하기 위해서, 정아람 교수팀은 아래 그림과 같이 세포들을 벽과 충돌시켜 일시적으로 세포막 그리고 핵막에 나노(10억분의 1 미터) 단위의 구멍을 만들고, 그 사이로 물질을 전달하는 방법을 학계 최초로 보고했다. 기술의 큰 특징으로 높은 세포 처리량(분당 백만개 이상의 세포 처리), 높고 안정적인 효율(80~90%), 저렴한 플랫폼 가격(단가기준 개 당 50원 이하) 그리고 비전문가도 특별한 교육 없이 사용이 가능한 용이성이다.
[그림 설명] (좌) 세포 속으로의 다양한 물질 전달을 위해서 관성을 통한 세포와 벽의 충돌을 이용하였음. 세포가 벽과 충돌 시 벽에 나노 크기의 작은 구멍들이 생기고 전달하고자하는 물질(빨간 점들)이 농도 구배로 인해 피동적으로 전달이 되는 미케니즘을 이용. (중) 세포와 벽의 충돌 현상을 초고속 카메라로 촬영한 이미지들 (우) 단백질 형광 물질의 세포 내 전달 결과.
정아람 교수는 “이 연구는 단순히 다양한 나노 물질의 효율적인 세포내 물질 전달의 보고가 아니고 개발된 바이오칩이 실질적으로 생물학자들에 쉽게 사용될 수 있는 플랫폼의 개발을 보고한 것”이라며, “현재 많은 생물학자, 의학자들이 사용을 원하고 있어 랩에서 순차적으로 공급할 예정”이라고 연구 의의를 설명했다.