포스텍, 단백질 빠르고 저렴하게 생산하는 자동화 플랫폼 개발

기존 대비 제작비 95%↓·성능 5배↑

포스텍 이준구(왼쪽) 교수, 박사과정 채병민씨. (사진=포스텍 제공)

국내 연구팀이 신약·진단·바이오소재 개발의 핵심인 단백질을 빠르고 저렴하게 생산하는 자동화 플랫폼을 개발했다.

기존 대비 제작비용은 95% 낮추고, 성능은 5배 높이는 동시에 준비 기간도 절반으로 줄였다.

포스텍 화학공학과 이준구 교수, 박사과정 채병민 씨 연구팀이 수행한 연구 성과는 최근 합성생물학·생물공학 분야 국제 학술지인 '트렌즈 인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology)' 온라인판에 현지 기준으로 지난 6일 게재됐다.

마트에서 파는 믹스커피를 생각해 보자. 커피, 설탕, 크림이 정해진 비율로 섞여 있어 뜨거운 물만 부으면 바로 마실 수 있다. 단백질 합성 분야에도 이와 똑같은 개념이 있다. 세포 없이 시험관 안에서 단백질을 만드는 '무세포 단백질 합성 기술'이다. 단백질을 만들기 위해 필요한 생화학 재료를 미리 섞어 두고 원하는 단백질의 설계도(DNA)만 넣으면 단백질이 뚝딱 만들어지는 방식이다.

문제는 이 믹스커피가 너무 비싸다는 점이다. 전 세계에서 소수 기업만이 이 시스템을 판매할 수 있다 보니 가격이 치솟았고, 연구자들은 울며 겨자 먹기로 고비용을 감수해야 했다. 만드는 방법이 알려져 있긴 했지만 공정이 지나치게 복잡해 일반 실험실에서 직접 구현하기란 사실상 불가능에 가까웠다.

연구팀이 주목한 것은 자동화다. 기존에는 단백질 합성에 필요한 구성 요소들을 살아 있는 세포 안에서 하나하나 만들어야 해 시간도 오래 걸리고, 사람이 직접 하는 작업인 만큼 실험자 숙련도에 따라 결과가 들쭉날쭉했다.

연구팀은 대장균 세포 추출물을 활용해 시험관 안에서 필요한 효소들을 직접 만드는 방식으로 공정을 단순화하고 여기에 자동 용액 분주기를 도입해 사람 손을 최소화했다. 그 결과 시스템을 준비하는 데 걸리는 시간이 기존 4일에서 단 2일로 단축됐다.

더 놀라운 것은 비용이다. 연구팀의 시스템 제작비용은 시중에 판매되는 상용 제품보다 95%나 낮다. 자동화 덕에 오류 발생 가능성도 크게 줄어 단백질 합성 성능은 오히려 기존보다 5배 향상됐고 생산 제품 간 성능 편차도 거의 없었다.

또 다른 강점은 '모듈형 구조'다. 믹스커피에 설탕 대신 꿀을 넣거나 디카페인 커피로 바꾸듯 필요한 구성 요소들을 자유롭게 넣고 뺄 수도 있다.

연구팀은 이 특성을 활용해 자연계에 존재하지 않는 '비천연 아미노산'을 단백질 내 원하는 위치에 정확히 집어넣는 데도 성공했다.

이 기술은 항체에 약물을 결합한 고부가가치 치료제인 항체-약물 접합체 개발 등에 바로 응용될 수 있다.

이번 연구가 특히 주목받는 이유는 바이오파운드리와의 연결 고리 때문이다. 바이오파운드리란 자동화 시스템을 기반으로 수많은 단백질 후보를 한꺼번에 설계·생산·분석하는 첨단 생명공학 인프라로 정부의 집중 육성 대상이기도 하다.

단백질 1종 생산 비용이 100원이라 해도 최소 10억 개의 후보를 검토하기 위해 1000억 원이 필요한데, 연구팀의 기술은 이 병목을 해소할 열쇠가 될 수 있다.

이준구 교수는 "무세포 단백질 합성 기술을 훨씬 더 빠르고 저렴하게 만들고, 필요에 따라 구성 요소를 자유롭게 바꿔 쓸 수 있는 자동화 플랫폼을 구현했다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다.


포항=김규동 기자