최근 중국과학원 산하 나노과학센터의 연구원인 장흥우(蒋兴宇), 정문부(郑文富)가 이끄는 연구팀은, 비병원성 바이러스-나노 전달체의 연구 성과를 발표하였다. 연구팀은 여러 종류의 비병원성 바이러스 나노 전달체를 개발하였는데, 이들은 CRISPR/Cas9시스템을 고효율로 체내로 전달하여 대형 유전자편집기술로서 생명과학 및 임상 응용 분야에서 새로운 방법을 제공할 수 있게 되었다. 관련 연구는 ”Thermo-triggered release of CRISPR-Cas9 system by lipid-encapsulated gold nanoparticles for tumor therapy”라는 제목으로 독일응용화학회지 Angew Chem Int Ed에 hot paper로 선정되었다.
CRISPR/Cas9시스템은 유전자 편집 기술의 선두에 서 있다. 그러나 현재 사용되는 대부분의 방법들은 병원성 바이러스를 매개로 하여 체내에 도입하는 것을 시도하고 있어서 임상응용에 있어서 한계가 있었다. 병원성 바이러스는 숙주세포에서 암을 일으키거나 돌연변이를 일으킬 수 있어서 CRISPR/Cas9시스템을 안전하고 효율적으로 체내에 전달하기 위해서는 해결해야 할 과제로 남아 있다.
바이오재료 관련 연구자들은 인공적인 전달 매체를 사용해 오고 있는데, 예를 들면 리포좀이나 나노 재료등을 통해서 코드화된 CRISPR/Cas9 플라스미드를 세포 내로 전달해왔다. 연구팀은 금속 나노입자와 지질로 이루어진 시스템에 빛에 의해 방출되는 나노전달 시스템을 개발하였다. 연구팀은 나노입자 표면에 TAT펩타이드로 수식하여 나노입자 표면이 양이온을 띠게 하여, 음이온을 띠고 있는 Cas9단백질과 guide RNA을 발현하는 플라즈미드와 결합하여 전체적으로는 음이온을 띠는 ‘나노핵’을 형성하였다. 이 핵을 양이온을 띠는 지질층으로 둘러싸서, 핵-껍질의 나노입자를 형성하였다. 이 나노 입자는 세포의 endocytosis 및 리소좀을 통과하여 세포질로 들어가는데, 파장 514nm의 레이저를 조사하여 금속입자와 TAT사이에 금-황 결합이 깨지면서 금속 입자 위의 TAT펩타이드가 분리되면서 TAT펩타이드와의 상호작용을 통해 결합된 Cas9/sgRNA 플라스미드도 따라서 떨어져 나와 TAT펩타이드의 인도에 따라 세포 핵막을 통과하여 세포핵 안으로 들어가게 된다. 이와 같은 나노 전달체를 이용하여 연구팀은 체내 및 체외에서 암세포 유전자 polo-like-kinase-1(Plk-1)표적에 대해서 knockout시키면서 유효하게 암의 성장과 전이를 억제하는데 성공하였다.
연구팀의 이러한 연구는 이전의 기초 연구를 바탕으로 이루어졌다. 이전에 장흥우 연구팀은 대용량 초미세 유체 시스템을 통해서 54종의 나노전달체 시스템을 스크린하고, 최종적으로 지질 시스템을 최적화하여 Cas9/sgRNA plasmid를 동물세포 내부로 전달하는데 성공하여, 종양 유전자 Plk-1를 효율적으로 knockou하였다. 이러한 연구 바탕 위에서 Cas9단백질과 sgRNA 플라스미드 타켓인 동물 종양 유전자를 성공적으로 전달하여 종양을 효과적으로 억제하였다 (Adv Sci, 4, 1700175, 2017). 본 연구는 국가자연과학 기금 위원회와 중국과학원 나노선도 프로젝트 및 중국과학원 산하 “혁신 그룹 국제 협력 파트너 계획” 프로젝트의 지원으로 이루어졌다.
최근 중국과학원 산하 나노과학센터의 연구원인 장흥우(蒋兴宇), 정문부(郑文富)가 이끄는 연구팀은, 비병원성 바이러스-나노 전달체의 연구 성과를 발표하였다. 연구팀은 여러 종류의 비병원성 바이러스 나노 전달체를 개발하였는데, 이들은 CRISPR/Cas9시스템을 고효율로 체내로 전달하여 대형 유전자편집기술로서 생명과학 및 임상 응용 분야에서 새로운 방법을 제공할 수 있게 되었다. 관련 연구는 ”Thermo-triggered release of CRISPR-Cas9 system by lipid-encapsulated gold nanoparticles for tumor therapy”라는 제목으로 독일응용화학회지 Angew Chem Int Ed에 hot paper로 선정되었다.
CRISPR/Cas9시스템은 유전자 편집 기술의 선두에 서 있다. 그러나 현재 사용되는 대부분의 방법들은 병원성 바이러스를 매개로 하여 체내에 도입하는 것을 시도하고 있어서 임상응용에 있어서 한계가 있었다. 병원성 바이러스는 숙주세포에서 암을 일으키거나 돌연변이를 일으킬 수 있어서 CRISPR/Cas9시스템을 안전하고 효율적으로 체내에 전달하기 위해서는 해결해야 할 과제로 남아 있다.
바이오재료 관련 연구자들은 인공적인 전달 매체를 사용해 오고 있는데, 예를 들면 리포좀이나 나노 재료등을 통해서 코드화된 CRISPR/Cas9 플라스미드를 세포 내로 전달해왔다. 연구팀은 금속 나노입자와 지질로 이루어진 시스템에 빛에 의해 방출되는 나노전달 시스템을 개발하였다. 연구팀은 나노입자 표면에 TAT펩타이드로 수식하여 나노입자 표면이 양이온을 띠게 하여, 음이온을 띠고 있는 Cas9단백질과 guide RNA을 발현하는 플라즈미드와 결합하여 전체적으로는 음이온을 띠는 ‘나노핵’을 형성하였다. 이 핵을 양이온을 띠는 지질층으로 둘러싸서, 핵-껍질의 나노입자를 형성하였다. 이 나노 입자는 세포의 endocytosis 및 리소좀을 통과하여 세포질로 들어가는데, 파장 514nm의 레이저를 조사하여 금속입자와 TAT사이에 금-황 결합이 깨지면서 금속 입자 위의 TAT펩타이드가 분리되면서 TAT펩타이드와의 상호작용을 통해 결합된 Cas9/sgRNA 플라스미드도 따라서 떨어져 나와 TAT펩타이드의 인도에 따라 세포 핵막을 통과하여 세포핵 안으로 들어가게 된다. 이와 같은 나노 전달체를 이용하여 연구팀은 체내 및 체외에서 암세포 유전자 polo-like-kinase-1(Plk-1)표적에 대해서 knockout시키면서 유효하게 암의 성장과 전이를 억제하는데 성공하였다.
연구팀의 이러한 연구는 이전의 기초 연구를 바탕으로 이루어졌다. 이전에 장흥우 연구팀은 대용량 초미세 유체 시스템을 통해서 54종의 나노전달체 시스템을 스크린하고, 최종적으로 지질 시스템을 최적화하여 Cas9/sgRNA plasmid를 동물세포 내부로 전달하는데 성공하여, 종양 유전자 Plk-1를 효율적으로 knockou하였다. 이러한 연구 바탕 위에서 Cas9단백질과 sgRNA 플라스미드 타켓인 동물 종양 유전자를 성공적으로 전달하여 종양을 효과적으로 억제하였다 (Adv Sci, 4, 1700175, 2017). 본 연구는 국가자연과학 기금 위원회와 중국과학원 나노선도 프로젝트 및 중국과학원 산하 “혁신 그룹 국제 협력 파트너 계획” 프로젝트의 지원으로 이루어졌다.
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