스크랩 7.농업과학 기술대전(실크 단백질의 나노텍 및 조직공학적 응용

[Brown]

실크 단백질의 나노텍 및 조직공학적 응용
		기관 : 농업과학기술원 잠사곤충부
		성명 : 권해용
		전화 : 031-290-8509
	저명한 미래학자인 애릭 드랙슬러는 일반 대중을 위한 저서인 '창조의 엔진 - 다가오는 나노테크놀로지 시대'라는 책에서 기존의 과학기술에 나노텍이라는 날개를 달 것으로 예상되는 21세기에는 불치병이라고 알려진 암의 정복, 손목에 차고 다니는 슈퍼컴퓨터, 강철같은 섬유, 털보다 따뜻한 티셔츠 등 인류의 꿈이 실현될 것으로 예측하였다. 과학기술의 진보를 물질 제어기술의 기준으로 살펴보면 19세기 이전까지는 마크로 단위 기술제어시대로서 육안으로 볼 수 있는 한계까지 물질을 제어하여 왔다. 또한 우리가 살아온 지난 20세기는 마이크로 기술제어 시대로서 현미경으로 관찰되는 마이크로 단위까지 물질을 제어할 수 있었으며, 이 마이크로 기술 제어의 꽃이라고 할 수 있는 것이 현재 가장 진보된 형태의 컴퓨터인 펜티엄 4 프로세서 기술이라고 한다. 앞으로 우리가 살아갈 21세기는 나노기술제어 시대라고 불리며 나노 단위에서 물질을 제어하는 기술이 확립될 것이다.
	1. 나노텍과 농업생산물
		가. 나노기술   나노(nano)라는 말은 난장이라는 뜻의 그리스말 나노스에서 유래한 것이다. 나노기술은 20세기 후반에 스위스 쥬리히 IBM연구소에서 원자현미경을 발명한 이후 21세기의 노다지를 캐는 새로운 기술로서 각광받고 있다. 나노기술이란 10억분의 1m길이를 가지는 원자 또는 분자 수준의 제어기술을 말한다. 대개 1㎚는 사람 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당하며 원자 3개 내지는 4개의 크기에 해당한다.     의학, 약학, 농학, 전기전자, 섬유, 국방과학 등 나노기술이 적용되는 분야의 기술은 혁명적으로 발전할 것으로 추론되며 21세기 산업 성장을 이끌어 나갈 견인차로서 작용할 것이다.
		나. 나노텍과 바이오텍   나노기술과 더불어 21세기의 새로운 화두로 떠오르고 있는 바이오 테크놀로지의 궁극적인 연구 대상인 DNA, RNA 등 생체고분자의 크기는 2~10㎚인 것으로 알려져 있다. 따라서 본격적인 바이오기술의 개발은 나노크기의 물질을 다루는 나노기술과의 퓨전에 의하여 이루어질 것으로 예상된다. 최근 미국 코넬대학에서 생체고분자인 ATPase에 나노기술을 이용하여 1um길이의 금속 프로펠러를 부착하여 세포의 에너지원인 ATP로부터 에너지를 공급받아 1초에 8번 회전하는 모습을 동영상으로 잡아 메스컴에 공개한 바 있다. 이는 나노기술의 실용화가 가까운 장래에 이루어 질 것을 예고하는 것이다. 또한 나노기술과 바이오기술의 만남은 질병의 진단과 치료에서 두드러질 것이다. 나노기술을 질병의 진단에 도입하면, 극히 소량의 혈액이나 조직을 가지고 손톱만한 장치를 통해 순식간에 인체의 이상 유무를 알아낼 수 있다.
		그림 1. F1-ATPase
		다. 나노기술의 응용가능성   약용 식물이나 곤충 등으로부터 인체에 유효한 성분을 분리 추출하고 정제하여 부가가치가 높은 의약품 소재로 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이런 천연 약물도 과량으로 사용할 경우 여러 가지 형태의 부작용이 있을 수 있다. 또한 생체 방어기작에 의한 빠른 약물의 소실로 인하여 약물을 자주 투여하게 되고 이에 따른 환자의 고통과 약물내성의 증가가 우려된다. 이러한 단점을 보완하기 위해서는 특정한 부위에서만 장기간 동안 약물을 서서히 방출하는 방출제어형 약물 전달용 담체가 필요하다. 나노기술에 의하여 제조되는 나노입자는 항암제나 항염제 등 생리활성 물질의 방출제어형 담체, 유전자를 세포내에 적절히 투입하여 형질이 발현되도록 하는 유전자 전달체, 또는 화장품용 소재로 적용될 것으로 기대된다.
		라. 견사단백질의 나노입자화 및 농업생산물의 접목   농업생산물은 오랜기간 동안 인체에 순화되어 사람의 입장에서 볼 때 매우 안전한 물질이다. 인체에 유효한 기능성 물질을 탐색하고 이를 순수하게 분리하여 고부가 가치 식의약품으로 소재화함으로써 원료산업으로서 농업의 위치를 확보하는 것은 농업의 지속성을 유지시키는 하나의 방법이 될 것이다. 또한 탄수화물이나 단백질 등 농업생산물을 부가가치가 높은 생체 의용소재로 활용하는 것도 농업의 지속성을 유지시키는 유용한 방법이 될 것이다. 특히 실크 단백질은 인체 친화성이 뛰어나 수 천년간 수술용 봉합사로 사용되어 오고 있으며 개질화 실크 단백질은 간기능 회복, 혈당 강하, 콜레스테롤 저하 등 여러 가지 생리적 활성을 나타내고 있는 것으로 알려지고 있다. 이러한 특성을 이용한다면 실크 단백질을 본격적인 의용 생체재료로 개발하는 것이 가능하리라 생각된다.     실크 단백질은 다른 식육용 단백질과는 달리 글리신, 알라닌, 세린 등 몇 가지 아미노산이 전체 단백질의 85%이상을 차지하고 있는 특이한 아미노산 조성을 가지고 있다. 실크 단백질의 주요 성분인 글리신과 알라닌은 대표적인 소수성 아미노산이므로 실크 단백질은 수용액상에서는 불안정하여 응집이 잘 일어난다. 친수성과 소수성 고분자 블록으로 이루어진 합성고분자는 양친성 용매에 녹인 후 이를 물로 투석하면 바이러스 또는 그 보다 작은 크기의 나노입자가 된다. 따라서 실크 단백질을 생체내로 주입할 경우 안정된 상태로 존재할 수 있게 하기 위하여 인체에 무해한 친수성 합성고분자 블록을 실크 단백질과 결합시킴으로서 실크 단백질로 이루어진 나노입자의 제조가 가능할 것으로 기대된다.
		그림 2. 실크 단백질 나노입자 제조
	2. 견 단백질의 조직공학 소재개발   모든 생물은 노화되면서 그 생물체를 구성하고 있는 생체조직의 기능이 약화된다. 이런 자연 노화이외에도 불의의 사고에 의하여 생체조직의 기능이 마비되는 경우도 허다하다. 이와 같이 생물체를 이루는 생체조직이 제 기능을 수행하지 못할 경우에 그 유사한 기능성을 갖는 대체물을 만들어 보고자 하는 바람에서 시작된 것이 조직공학이다.     조직공학이란 살아있는 세포를 생체적합성이 우수한 재료라는 거푸집에 배양하여 체외에서 생체조직을 만들어 낡은 인체조직을 대체하는 것을 목적으로 하는 응용학문 분야이다. 따라서 조직공학용 소재로 응용되기 위해서는 인체에 대한 친화성이 우수하고 성형성이 좋아야한다. 견 단백질은 수 천년동안 봉합사로 사용되어 왔으므로 생체 친화성에 대한 검증은 충분하다고 할 수 있다. 따라서 견 단백질의 부가가치를 제고하기 위하여 조직공학용 소재로의 적용을 검토하고 있다.
		가. 조직공학 관련 연구   조직공학적 기법을 이용한 실용화 관련 사례를 보면 인공장기 분야에서는 인공피부 및 혈관조직, 비뇨기과 치료를 위한 연골조직, 단백질 전달체를 위한 캡슐화 인체세포 등이 연구되고 있다. 특히 인공피부 소재는 미국 FDA의 승인을 받아 제품으로 출시된 것이 있으며 연골치료용 수화겔은 현재 임상시험중이다. 조직공학용 생체재료 또는 매트릭스의 개발 분야도 최근에 연구되고 있는 핵심 분야 중의 하나이다. 뼈나 근골격 장기 재생용 생분해성 고분자, 산호 또는 인체 유래 매트릭스 뿐만 아니라 재조합 단백질 고분자 하이드로 겔 등이 전임상 또는 파일롯 연구상태에 있다.     실크 단백질은 전통적인 생체재료의 한 가지이나 조직공학용 생체재료로서 인정받고 있지는 못한 형편이다. 그러나 최근에 들어 실크 단백질의 생체 친화성에 기초한 조직공학 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.
		나. 조직공학을 이용한 인공피부 개발   피부가 화상 등 상처로 인하여 정상적인 기능을 발휘하지 못하게 되면 생체의 자연치유력에 의하여 피부재생이 이루어지지만 상처로 인한 2차감염을 방지하고 상처를 입기 전의 피부와 유사한 정도의 피부조직형성을 돕기 위하여 창상피복제가 사용된다. 피부재생을 돕기위한 인공피부는 상처부위에 대한 자극성이 적으면서 잡균등에 대한 감염을 예방할 수 있어야 하며 그렇게 하기 위해서는 피복재료가 상처와 밀착되어야 한다. 또한 인체의 움직임에 따른 상처부위의 신축에 대응하는 유연성이 있어야 하며 수증기 투과성과 산소 투과성 등이 우수하여야 한다.     인공피부 재료로서 피부의 구성성분과 유사한 콜라겐이 사용되기도 하지만 상처부위에 콜라겐을 사용하였을 때에는 상처부위의 주변 세포로부터 방출된 collagenase에 의하여 콜라겐피복제의 형태가 빠르게 변형되며 기계적 안정성이 부족하고 상처부위에서의 내구력도 충분하지 못하다. 탄닌 처리에 의하여 콜라겐을 가교시켜 안정성을 조금 높일 수는 있지만 콜라겐이 분해되면서 탄닌 성분이 유출되는 단점이 있다.     견 피브로인 막은 생체친화성, 수증기 투과성 및 습윤 상태에서의 기계적 성질을 고려할 때 인공 피부재료로의 적용이 가능하여 화상 등의 상처부위에 치료를 촉진하는 역할도 할 것으로 추측된다. 재생 견 피브로인 필름을 사용하여 창상 피복제로서 적용가능성을 살펴보기 위하여 동물실험을 행한 결과 창상 치유에 따른 침출수를 흡수하여 견 피브로인 필름이 유연하게 되었으며 쥐의 움직임에 따라 변형되었다고 한다. 또한 필름의 일부는 용해되어 창상면의 미세한 굴곡을 피복 하여 밀착되는 효과가 나타났으며 견 피브로인 필름을 사용하지 않은 경우에 비하여 양호한 결과를 얻었다. 피브로인 수용액을 동결 건조하여 얻은 sponge는 부드러운 태와 촉감을 가지므로 인공 피부 소재로서 적합하여 특허 출원되어 있다.     또한 견 피브로인은 상처부위에 대한 자극성이 적고 생체 매립에 따른 염증도 거의 발생하지 않는 등 생체친화성이 우수하고 수증기투과성 및 기계적·물리적 성질이 우수하므로 창상 피복제 등 인공 피부 소재로서 활용이 가능하다는 것이 밝혀졌으나 이를 실용화하기 위하여 생체적합성이 우수한 다른 고분자 물질과 브렌드하는 방법도 시도되고 있다. 그 중에서 키틴/키토산은 상처부위에서 나오는 lysozyme의 활성에 의하여 N-acetyl-D-glucosamine으로 되어 상처부위의 자연 치유력을 촉진하는 특성이 있으므로 피브로인/키틴 브렌드 물질은 인공 피부 재료로서 우수한 기능을 가질 것으로 기대된다. 그 외에도 생체 친화성이 좋고 수용성인 PVA와 같은 합성 고분자를 이용하여 개질하는 방법도 견 피브로인의 인공피부 소재로서의 사용이 가능하다고 보고되어 있다.
	참 고 문 헌
	권해용 등. 2001. Biomedical applications of silk protein. International Journal of Industrial Entomology 3(1) : 1-6. 박영환. 1998. 견피브로인을 이용한 최근 소재개발 동향. 한국잠사학회지 40(2) : 169-175.