연구성과

화공 차형준 교수팀, 구조 전환 DNA 기반의 진단용 ‘맞춤형’ 당(糖)칩 만든다

2021-03-04 245

[POSTECH·영남대 공동연구팀, pH 감응형 DNA 링커 활용 복합당칩 개발]

당칩(glycan chip)은 고체 표면에 고밀도로 당(糖, glycan)*1을 고정해 암과 같은 질병 발생에 대한 진단 등 당과 관련한 상호작용을 빠른 속도로 한꺼번에 분석할 수 있는 마이크로칩(microchip)으로 주목을 받고 있다. 이 당칩을 간단히 ‘맞춤형’으로 만들 수 있는 새로운 플랫폼 기술이 개발됐다.

화학공학과 차형준 교수, 허혜령 박사 연구팀이 영남대 화학생화학부 김창섭 교수와 함께 pH 조건에 따라 구조가 바뀌는 DNA(이하 i-motif DNA)를 링커로 도입해 새로운 당칩 플랫폼을 개발했다. 특히, 이 플랫폼은 칩 표면상에서 생합성된 당의 분리가 가능해 복합당의 제작과정을 최적화할 수 있고, 이를 통해 응용 목적에 따른 ‘맞춤형 당칩’을 재현성 있게 제작할 수 있다.

당칩(glycan chip)은 세포 표면에서의 당을 칩 표면에 효과적으로 모사하는데, 이때 당과 다양한 생체물질 간의 상호작용을 분석함으로써 감염체를 진단할 수 있다. 고체 표면에서의 효소적 당 합성(enzymatic glycosylation)을 통해 높은 구조적 특이성을 갖는 당칩 제작이 가능하지만, 복합당(complex glycan)*2 합성으로 갈수록 표면에서 생합성된 당의 복잡한 구조를 명확히 확인하기 어렵다는 문제가 있어 왔다.

연구팀은 i-motif DNA가 낮은 pH 조건에서 구조를 변형해 혼성화된 상보 배열의 DNA와 분리될 수 있다는 점에 착안해 i-motif DNA를 칩 표면과 당을 연결하는 중간물질인 링커로 활용했다. i-motif DNA가 pH 조건에 따라 구조를 바꾸는 원리로 당을 표면에 고정 또는 분리하는 작용을 통해 표면에서 생합성된 복합당의 정량과 생합성 조건을 동시에 분석하여 표면에서의 복합당 합성 과정을 최적화했다. 이를 기반으로 만든 당칩을 이용해 감염체(암) 식별을 위한 당 바이오마커를 명확히 확인할 수 있었으며, 암 특이적 표지 항체의 당 결합 특성에 대한 정보도 얻을 수 있었다.

개발된 당칩 플랫폼은 세포 표면을 효과적으로 모사할 수 있어, 생물학적 과정에 관여하는 당 관련 다양한 상호작용 분석 및 응용에 유용하게 활용할 수 있다. 특히, 여러 가지 당 합성 효소의 조합을 통해 칩 플랫폼상에서 원하는 복합당을 바로 합성함으로써 맞춤형 당칩을 간편하게 제작할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

연구를 주도한 차형준 교수는 “새로운 당칩 플랫폼을 개발해 복합당의 합성과 당칩 제작의 어려움을 해결했고, 당칩의 폭넓은 활용을 가능하게 했다”라고 연구의 의의를 밝혔다. 그는 이에 덧붙여 “이번 연구를 통해 맞춤형 당칩 제작의 접근성을 높여, 앞으로 암 진단을 포함하는 다양한 당 관련 연구에 활용할 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다.

한편, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2일자에 게재된 이 연구는 한국연구재단의 해양극지기초원천기술개발사업과 신진연구자사업의 일환으로 수행됐다.
 


1. 당(탄수화물, carbohydrate)
당지질, 당단백질 등 다양한 형태의 복합체로 생체 내에 존재하며, 단백질 결합 및 폴딩, 신호 전달, 면역학적 반응 등 다양한 생물학적 상호작용에 중요한 역할을 하는 생체물질

2. 복합당
다양한 구조의 단당(monosaccharide)들이 짧거나 길게, 혹은 분지 형태(branch)로 연결되어 만들어진 복합 탄수화물