초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
● 최근 유전체 분석 분야는 개체 수준의 염기서열 분석을 넘어서는 ‘포스트 게놈 시대’로 진입했으며 유전정보의 다각화 분석, 유전자 합성, 유전자 분석을 통한 단백질 및 표적 치료제 개발이 새로이 부상하는 주요 기술임.
● 급성장하는 차세대 유전체 기술 분야에서, 후발주자인 한국과 스웨덴 두 그룹이 각각 보유하고 있는 원천 기술을 융합하여 차세대 유전체 분야를 선도할 수 있는 세계 최고 수준의 기술을 개발하는 것이 본 연구개발의 최종 목표임.
● 국내연구기관 서울대학교

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
● 최근 유전체 분석 분야는 개체 수준의 염기서열 분석을 넘어서는 ‘포스트 게놈 시대’로 진입했으며 유전정보의 다각화 분석, 유전자 합성, 유전자 분석을 통한 단백질 및 표적 치료제 개발이 새로이 부상하는 주요 기술임.
● 급성장하는 차세대 유전체 기술 분야에서, 후발주자인 한국과 스웨덴 두 그룹이 각각 보유하고 있는 원천 기술을 융합하여 차세대 유전체 분야를 선도할 수 있는 세계 최고 수준의 기술을 개발하는 것이 본 연구개발의 최종 목표임.
● 국내연구기관 서울대학교 N-BIO 권성훈 교수 연구팀과 해외연구기관 SciLifeLab의 공동연구는 ‘포스트 게놈 시대’에 맞춰 세계적 최고 수준의 기술을 개발하고, 참여기업을 통해 아시아 및 유럽 시장으로의 진출 가능성을 모색함으로써 시장을 선점할 수 있는 중요성을 지님.
○ 전체 내용
가. 환자 암 조직 기반의 선택적인 세포 단위 유전체 분석기술
● 스웨덴의 Mats Nilsson 교수 연구진의 환자 조직 슬라이드 위에서 짧은 길이 유전자를 분석할 수 있는 기술과, 본 연구진의 환자 조직 슬라이드 위에서 세포 한 개~수 십 개 수준으로 타겟 영역만을 분리하여 유전체를 분석하는 기술의 융합을 통해 환자 조직 슬라이드의 유전정보를 전반적으로 확인한 뒤 원하는 영역에 대해선 심도 있는 분석을 연계할 수 있는 환자 조직 기반 유전자 분석 기술의 개발을 하고자 함.
나. 저비용 고순도 유전자 합성 기술
● 차세대 유전자 분석 기술(이하 NGS)의 발달은 유전체 분석 비용을 획기적으로 낮추어 인간 질병의 이해 및 진단에 비약적인 발전을 가져왔으나, 유전자 합성 기술은 아직 높은 비용, 낮은 순도, 만들 수 있는 길이의 한계 등 개선할 여지가 많은 상태임. 스웨덴의 Mats Nilsson 교수의 저렴하고 간편한 증폭 기술을 활용하여 국내 연구진이 가지고 있는 유전자 합성 기술을 참여기업인 셀레믹스와의 연계를 통해 서비스화하여 실제 경제효과를 가져올 것임.
다. 표적 항체 선별 기술
● 스웨덴은 2003년 펀딩을 통해 ‘The Human Protein Atlas’프로젝트(이하 HPA)를 시작했으며 이에 따라 각종 질병의 항원 발굴 기술과 그 컨텐츠를 확보하고 있음. 발굴한 항원에 대한 적합한 항체를 찾지 못한 단백질이 존재함. 국내연구그룹의 표적 항체 선별 기술을 통해 스웨덴에서 발굴한 항원에 적합한 항체를 찾는 플랫폼을 만들고자 함.
○ 1단계
◎ 목표
● 차세대 유전자/유전체 초고속 합성 기술 개발
● 암 조직의 단일세포 형질체·전사체 통합 분석을 위한 시스템 구축 및 타당성 검증
● 초정밀 항체 라이브러리 선별 시스템으로 기술 통합 및 항체 발굴
◎ 내용
● 합성 기술의 목표 달성: 오류율 0.001% per base, 가격 경쟁률 $0.01 per base
● 암 조직에 대한 통합 분석 가능성: 연구 수행 여부 및 검증 유무 및 5 가지 이상의 조직에 대하여 연구 수행
● 활용 가능한 항체 한 건 이상 발굴 및 라이센스 확보
○ 2단계
◎ 목표
● DNA Reading 신기술 적용
● DNA Writing 신기술 적용
● DNA Engineering 신기술 적용
◎ 내용
● 자동화 단일세포 분리기를 이용했을 시의 서비스 제공 여부
● 자동화 polony 레이저 프린터를 이용했을 시의 오류율 염기 당 0.001% 이하 생산 및 가격경쟁률 염기 당 $0.01
● 기존 파지디스플레이 기술에서 발견할 수 없었던 항체 한건 이상 발굴
○ 3단계
◎ 목표
● DNA Reading 신기술의 스케일 확장
● DNA Writing 신기술을 활용한 Long DNA 합성
● DNA Engineering 의 스웨덴 Protein Atlas 활용을 위한 조사 및 클론 확보
◎ 내용
● 1종 이상의 암 조직으로부터 10,000개 이상의 암 세포를 확보하고 유의미한 100개 이상의 암세포 선별 및 통합 데이터의 손쉬운 해석을 위한 클러스터링 기반 시각화 소프트웨어 개발
● 에러 없는 DNA 조각 회수율 95% 이상, 유전자 합성을 위한 DNA 조각의 어셈블리 효율 30% 이상 달성
● 항체 라이브러리의 10⁵~10⁶ 종류의 모든 클론에 대하여 초병렬적 어세이 수행

□ 연구개발성과
○ 1단계 (2015-2017)
DNA READING
● 해외우수연구기관의 In situ sequencing 기술을 습득하고 셋업함. 또한 단일세포 분리 수율 95% 이상을 달성하였으며 20여 개의 국내외 연구진들에게 단일세포 분리 분석 서비스를 제공하여 본 시스템 상용화 계획을 두텁게 함.
DNA WRITING
● Illumina sequencing을 이용하여 전체 영역이 분석된 염기서열 중, 에러가 없는 서열을 Polony sequencing의 결과와 100% 매칭하였으며, 해당 polony를 레이저를 이용하여 완벽 분리 함. 이를 통해 기존기술보다 1/100배 낮추어진 염기당 0.0005%의 오류율을 가지는 DNA 회수에 성공하였으며 최종 스펙을 오류율 0.001%, 가격 경쟁률 $0.01 per base 이상으로 달성함.
DNA ENGINEERING
● 단일 클론 분리를 위한 바이오 칩 개발을 완료하였음. 하나의 칩에서 1,000~2,000개의 클론을 분리할 수 있으며, 분리된 클론들 중 95% 이상이 단일 클론을 이룸. 또한 바이오칩에서 클론을 분리 시 발생할 수 있는 데미지를 최소화 하여 phage의 재감염을 가능하게 함으로써 증폭 효율을 80% 이상으로 달성함. 본 바이오칩을 활용하여 분석 결과 기존 phage display 기술로는 확인 할 수 없었던 1개의 시퀀스를 발견함.
○ 2단계 (2017-2019)
DNA READING
● 한국인의 호발암 4종류 (유방암, 난소암, 대장암, 백혈병)에 대하여 단일세포 염기서열 분석을 수행한 후 데이터를 생산하였고 각 암에 특이적인 돌연변이를 발견하고 암 서브클론의 공간적 분포 및 암의 진화 과정을 추론하는 과학적 성과를 달성함.
● 또한 자동화 GUI 구현을 통해 샘플 내 단일세포 분석을 원하는 부위를 선택하고 이를 자동 분리할 수 있도록 함. 이를 통해 다양한 병원과의 협업이 훨씬 용이해졌으며 20여 개의 국내외 연구진들에게 서비스를 제공하여 본 시스템의 상용화 계획을 두텁게 함.
DNA WRITING
● 저비용의 오류없는 DNA 제공을 위해서는 한 칩에서 최대한 많은 RCP 고정 및 분리가 필요하며, 이를 위해 마이크로 사이즈의 pillar array가 코팅된 칩을 개발함. 또한 preliminary 결과로 오류율 0.003%, 가격 경쟁률 $0.01 per base 이상의 연구 내용을 nature communications에 출판하여 오류율 0.001% DNA 합성 기술의 가능성을 보임.
DNA ENGINEERING
● 기 개발된 파지디스플레이 기술의 효율을 높여 보다 큰 스케일을 요구하는 분야에서도 사용 가능하도록 기술 최적화를 이룸. 최적화를 통해 이전 기술의 바이오칩 대비 10배의 효율을 이룸. 또한 분리된 파지로부터 항체 서열을 병렬적인 분석으로 효율성을 높이기 위해 유전자 내에 서로 다른 DNA 바코드를 부여하는 기술을 개발하여 실제 하나의 바이오칩에서 분리된 480개의 파지에 각각 다른 DNA 바코드를 삽입하여 95% 이상의 효율을 달성함.
○ 3단계 (2019-2021)
DNA READING
● 면역 염색 형광 결과를 기반으로 하여 유방암 조직상의 암세포를 약 20,000개 이상 확보하였으며 이 중 유방암 조직상의 미세환경과 연관이 있는 조직 영역 150개를 확보하고 암 미세환경과의 연관성에 대해 밝혔음.
● 형질체 정보를 기준으로 유전체-전사체 정보를 분리하고 functional 유전자 분석이 가능한 알고리즘을 개발하여 데이터의 시각화를 용이하게 함.
● Direct in situ sequencing 기술과 단일세포 분리 기술의 호환성을 검증하여 복잡한 미세 환경을 가지는 암 조직에서의 확장 적용 가능성을 확인함.
● 암 조직 내 미세 환경에 특이적으로 존재하는 면역 세포를 분리하고 RNA 특성들을 확인함. 이를 통해 유전체-전사체-형질체 정보에서 면역 정보가 추가된 확장된 multi-omics 기술의 구현을 달성함.
DNA WRITING
● 마이크로어레이에서 합성한 올리고뉴클레오타이드 중 오류율 0,003%까지 보정 가능한 DNA writing 신기술을 적용하여 오류 없는 올리고뉴클레오타이드만을 선별, 30% 이상의 효율을 보이는 어셈블리 과정을 통해 저비용 및 낮은 오류율로 박테리오파지 유전체를 합성하였음.
● 합성 DNA에서 빈번하게 발생하는 deletion 및 insertion 오류를 검출하여 제거함으로써 97% 이상의 높은 순도를 지닌 합성 DNA를 확보할 수 있는 기술을 개발함.
DNA ENGINEERING
● Human Protein Atlas 로 관리되고 있는 다양한 단백질에 높은 affinity를 보이는 항체 서열을 확보할 수 있는 초병렬적 어세이 플랫폼 개발을 완료하였음.
● 10⁶ 이상의 diversity를 가지는 synthetic antibody 라이브러리를 구축하였으며 해당 라이브러리를 2가지 서로 다른 단백질에 적용하여 높은 affinity를 가지는 항체를 선별하는 초병렬 어세이를 수행하였음.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
● 본 공동연구센터는 금번 연구 과제를 통해 창출된 연구개발성과를 보다 확장하고 개선하여 연구개발을 진행 할 예정에 있음. 특히 in situ sequencing 과 레이저 기반의 단일 세포 분리기기를 활용한 협업의 경우 기존의 spatial omics 기술이 해결하지 못했던 부분을 해결할 수 있을 것으로 기대되며 spatial multi-omics 측면에서 pioneer 격의 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대됨. 또한 레이저 기반의 단일 세포 분리기기의 경우 스웨덴 측의 인적 네트워크를 적극 활용하여 상용화를 준비 중에 있음.
● 또한 DNA 합성의 오류율 극복 및 레이저 기반의 DNA 선별 기술의 범용성 확보를 위해 바이오칩 상의 rolling cycle amplification 의 최적화가 마무리 단계에 있으며 이 또한 스웨덴 측과의 공동 연구로서 DNA 합성 수율 증대에 큰 기여를 하는 연구 성과를 창출할 수 있을 것으로 기대됨.
● 마지막으로 바이오칩 상에서 다양한 antibody들의 affinity를 한 번에 확인하고 분리하여 확보할 수 있는 원천 기술도 새로운 바이오칩 디자인을 통해 회수 수율을 크게 증대시키는 후속 연구를 기획 및 진행 중에 있음.
● 이와 같은 후속 연구들은 해당 연구분야에 큰 영향을 미치는 high impact 연구로 기대되며 기술의 원천성 확보를 통해 특허의 출원 및 등록 또한 다수 발생할 수 있을 것으로 기대됨. 또한 단순히 특허 확보에서 끝나는 것이 아닌 기술 이전 혹은 창업 등의 사업화 또한 가능할 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 제1장 연구개발 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 13
• 3. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 17
• 4. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 52
• 5. 목표 미달 시 원인분석 ... 72
• 6. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 72
• 7. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 73
• 제2장 기관유치 및 운영 ... 74
• 1. 해외연구기관 유치 목적 및 필요성 ... 74
• 2. 공동연구센터 운영 현황 ... 80
• 3. 해외연구기관의 협력 성과 ... 85
• 4. 해외연구기관 유치 노력 및 성과 ... 98
• 5. 공동연구센터 자립 및 활용계획 ... 100
• 6. 사업추진과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 103
• 붙임1. 해외우수연구기관유치사업 연차별 목표 및 달성도 현황 ... 104
• 붙임2. 해외우수연구기관유치사업 예산 확보 및 사용 실적 ... 111
• 붙임3. 해외우수연구기관유치사업 대표 성과 ... 118
• 끝페이지 ... 129