인간 유전체의 구조가 대부분 밝혀지면서, 이를 구성하는 유전자의 기능에 대한 연구 관심이 급증하고 있습니다. 이에 따라 최근 단백질체학(Proteomics)이라는 새로운 분야가 부상하면서 국내외에서 많은 관심을 받고 있습니다. 단백질체 연구에 필수적인 핵심 기술인 단백질 칩은 미래형 진단 기술로, 질병 진단 및 바이오마커 발굴, 단백질 기능 연구, 단백질 상호작용 분석, 신약 개발 등 다양한 응용 분야를 가지고 있으며, 의학, 약학, 생명과학 분야에서 폭넓게 활용될 잠재력을 가지고 있습니다.
단백질 칩은 수십에서 수백 개의 단백질을 작은 칩에 고정하여, 자동화된 시스템으로 동시에 단백질 결합을 분석할 수 있는 기기입니다. 센서칩(Sensor Chip)과 단백질 결합 분석장치(Detection System)로 구성되어 있습니다.
1) 센서칩 (Sensor chip)
센서칩은 수십에서 수백 개의 단백질이 작은 표면에 일정한 배열로 결합된 형태로, 주로 슬라이드 글라스 크기의 유리나 플라스틱을 사용하여 제작됩니다. 센서칩은 단백질을 칩 표면에 결합시키는 고정화 기술로, 그 특성에 따라 세 가지 방식으로 분류됩니다.
1. 단백질을 센서칩의 표면에 고정하는 방법
가장 보편적인 고정화 기술로 CM(carboxymethyl)-dextran을 이용한 방법이 있습니다.
이 중 Amine 결합이 가장 널리 사용되며, 산성을 띠는 단백질이나 DNA 등의 결합을 위해
Thiol 결합이나 Avidin-Biotin 결합이 사용되기도 합니다.
2. 동일 특성을 띠는 단백질 군을 결합할 수 있도록 센서칩의 표면을 처리하는 방법
현재 이용 가능한 표면으로는 친수성 단백질용 표면(hydrophilic surface), 소수성 단백질용 표면(hydrophobic surface), 이온 교환용 표면(ion exchange surface), 금속 결합 단백질용 표면(immobilized metal surface) 등이 있습니다.
이러한 표면은 주로 Ciphergen Biosystem사의 SELDI Protein Chip에 적용되고 있습니다.
표면 처리 기술이 더욱 발전할 경우, 크로마토그래피용 컬럼을 대체할 잠재력이 있으며, 특히 소수성 표면은 현재의 Proteomics 기술을 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다.
3. 불특정 다수의 단백질을 결합시키는 방법
예로 Polylysine과 Calix crown을 들 수 있습니다. Polylysine은 국내 벤처기업에서 사용되고 있으며,
Calix crown은 본 연구팀에서 센서칩 제작에 활용하고 있습니다.
2) 분석장치 (Detection System)
분석장치는 센서칩에 결합된 단백질의 상호작용을 분석하는 장치로, 크게 단백질 결합 분석 시스템과 용액을 자동으로 흘려주는 Microfluid 시스템으로 구성됩니다. Microfluid 시스템은 칩 표면에서 발생하는 단백질 상호작용 분석과 칩을 이용한 단백질의 순수 분리에 필수적으로 사용됩니다.
단백질 결합 분석 시스템은 분석장치의 핵심 기술로, 현재 **Surface Plasmon Resonance (SPR)**과 Surface-Enhanced Laser Desorption/Ionization (SELDI) TOF 기술이 주로 단백질 칩 개발에 활용되고 있습니다.
1.SPR
SPR은 특정 각도에서 빛이 반사되지 않고 소멸되는 현상을 의미합니다. SPR 각도(SPR Angle)는 칩의 단백질이 결합할 때 증가하는 특성을 가지며, 이를 통해 단백질 결합 여부를 확인할 수 있습니다.
레이저 대신 백색광을 사용할 경우, SPR 각도 대신 SPR을 일으키는 빛의 파장이 변하는 특성을 보입니다. 백색광을 이용한 단백질 칩은 레이저를 사용할 때보다 다양한 장점을 제공하여 더 효율적인 분석을 가능하게 합니다.
2.SELDI TOF
SELDI TOF를 이용한 단백질 결합 분석은 SPR 분석에 비해 칩에 결합한 단백질을 직접 분석할 수 있는 장점이 있습니다.
이를 통해 질량 분석으로 얻은 단백질 스펙트럼을 데이터베이스와 비교하여, 칩에 결합된 미지의 단백질을 직접 식별하고
분석할 수 있습니다.
3) 단백질 칩의 응용
단백질 칩은 DNA 칩에 비해 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다.
단백질 칩의 응용은 진단 분석(Screening), 정량 분석(Quantification), 단백질 상호작용 분석(Kinetic Measurement),
질량 분석(Mass Spectrometric Analysis) 등 네 가지 주요 특성을 기반으로 이루어집니다.
1. 단백질 상호작용 분석 (Kinetic Measurement)
단백질은 특성상 다른 단백질과의 상호작용을 통해 기능을 수행합니다.
단백질 칩은 이러한 단백질 상호작용을 분석하는 데 가장 적합한 방법 중 하나로, 단백질 연구에 중요한 도구로 활용됩니다.
2. 단백질의 순수 분리 (Protein Purification)
센서칩에 항체나 단백질을 부착한 후,
조직이나 세포에서 분리한 단백질 추출물에서 원하는 단백질을 순수하게 분리하는 방법입니다.
순수한 단백질이 칩에 결합된 경우, Trypsin 등을 이용한 On-chip Digestion 방식을 통해 단백질을 가수분해하여
Peptide Mapping을 수행할 수도 있습니다.
3.Protein Profiling
단백질 칩의 질량분석 기능을 통해 단백질 혼합물을 각 단백질의 질량에 따라 분석할 수 있습니다.
이러한 단백질 칩의 특징은 세포나 조직의 단백질 발현 분석(Protein Expression Profiling),질병 바이오마커 발굴 연구,
신약 개발 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.
최근에는 단백질 칩이 직장암, 방광암, 치매 등의 바이오마커 발굴과 질병 진행 과정 연구에 활용될 가능성이 제시되고 있습니다.
4. 단백질의 특성 분석 (Protein Characterization)
단백질 칩은 Peptide Mapping과 Epitope 분석뿐만 아니라, 단백질 기능 조절 과정에서 발생하는
인산화(Phosphorylation), 당화(Glycosylation) 등의 변형도 분석할 수 있습니다.
단백질 칩은 단백질의 특성상 DNA 칩과는 다른 고정화 및 분석 방법을 필요로 합니다. 아직 기술적으로 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 단백질 칩은 DNA 칩보다 응용 범위가 넓어 기술이 완성되면 기초 연구뿐 아니라 의학 및 약학 분야에서도 높은 활용 가치를 가질 것으로 예상됩니다. 최근 단백질체학(Proteomics)에 대한 관심이 증가하면서, 단백질 칩은 이 분야를 부분적으로 대체할 수 있는 중요한 기술로 자리 잡을 가능성이 있습니다.
단백질 칩은 미래형 분석 도구로, 현재 이용되는 기술을 대체할 뿐만 아니라 새로운 분석 및 진단 방법을 제공할 수 있는 혁신적인 기술로 평가되고 있습니다.
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