21세기 페스트와 같은 야토균, 검출의 한계를 넘어서다
“아포페리틴 나노입자 이용해 기존농도 10분의 1로도 검출 가능해져”
한양대학교 생명나노공학과 최종훈 교수

핵무기에 이어 바이오테러의 대표적 병원체인 탄저균 사건이 인류의 새로운 골칫거리로 도래했다. 대표적 고위험성 병원체들인 탄저균, 페스트균, 야토균은 공기 중에 살포해 수많은 이들에게 순식간에 전염시킬 수 있기 때문이다. 그 동안의 균/바이러스 연구 성과로 학계의 주목을 받는 한국이지만 이번에는 나노기술을 이용해 세계를 한 번 더 놀라게 했다. 한양대학교 최종훈 교수를 찾아가 ‘아포페리틴 나노입자’로 거둔 성과를 확인해 보았다.

발전한 나노 기술력으로 야토균 검출방식에 쾌거 거둬
1975년 한국의 이호왕 박사는 혈청에 형광물질을 물들여 항원을 찾는 방식으로 한타바이러스를 발견해 세계 바이러스학에 한국의 이름을 널리 알렸다. 그로부터 40년, 한양대학교 생명나노공학과 최종훈 교수 연구팀은 기존방식 대신 유전자재조합방식으로 합성한 아포페리틴 나노입자를 이용한 병원체 검출법으로 치사율 높은 야토균을 기존 검출가능최저농도의 10분의 1에서 검출하는데 성공했다.

박테리아 계열에서 대단히 위험한 탄저균과 쌍벽을 이루는 야토균을 이러한 조건에서 검출한다는 것은 생물테러전에서 조기검출이 가능해져 인명을 구하는 유익한 역할을 하게 될 것이다. 단 10마리만 인체에 유입되어도 급격히 사망에 이르는 야토균은 1960년대 구소련에 대응하기 위해 미국이 생물학전용으로 개발했고 보툴리눔, 콜레라균처럼 위험한데다 탄저균과 더불어 21세기의 페스트균이라 불릴 만큼 전파/치사율이 높아 치명적이다. 최 교수는 나노 기술을 이용, 대장균을 통해 분비된 아포페리틴 단백질 24개로 이루어진 나노구조체를 여러 항체와 형광물질을 동시에 운반해 탄저균에 부착시키는 운반체로 사용했다고 한다. 여기에 유전자를 조작해 단백질에 항체와 형광물질이 결합하는 부위를 발현하도록 만들어 야토균이 수월하게 부착되도록 설계하였고, 이로 인해 기존 기술에 비해 균의 부착정도는 더 늘어났다.

따라서 더 적은 균의 존재에도 이들을 손 쉽게 검출 할 수 있음을 보여주었다. 최 교수의 연구팀이 미래창조과학부, 한국연구재단, 질병관리본부, 보건복지부등의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 독성물질 전문 국제학술지에 게재되어 세상에 알려졌다. 무엇보다도 고위험성 박테리아가 2종 이상 섞여 있어도 각각 정확하게 검출하는 방법이기에 의의가 있다. 우리나라의 나노기술력을 신뢰한다고 하는 최 교수는 3년 전 미국에서의 박사와 박사 후 연구과정을 마치고 귀국하여 고위험성 병원균 검출에 나노기술을 접목하는 방식을 집중 연구했다. 이번 연구뿐만 아니라 나노의학의 여러 연구 분야에서 나노기술을 응용하여 항박테리아 성질의 나노복합구조체를 개발하고, 또는 췌장암세포의 특성 분석 연구 등을 동시에 연구하고 있다. 나노기술을 응용해 야토균을 검출한 이번 성과는 국제적으로 공신력 있는 결과로서 병원균 보건의학, 세균전에 대비한 국방 분야에 널리 응용할 수 있다고 한다. 

기초에 충실한 융합학문의 성과가 앞으로도 기대돼
최 교수는 산학협력과 공학기술의 연구 역량에서 한양대의 선도와 이해도를 높이 평가하고 있다. “현재 한양대의 생명나노공학과 학생들과 함께 인체에 영향을 주는 의학, 약학, 치의학 분야에 나노기술을 응용한 검출, 치료법에 기대하는 방법을 연구 중이다. 스템셀을 이용한 생체재료, 상처 조직을 수복시키고자 하는 보건복지부 지원의 과제들도 외부 병원들과 진행한다. 연세대 치대와 공동 연구하는 이 과제는 구개열 등 선천적인 장애 증세들을 치료할 때 스템셀로 조직을 재생시켜보자는 목적이기도 하다” 전통적인 화학공학에서 나노기술, 바이오공학이 결합해 나노바이오라는 새로운 학문이 정립되었으며 이 융합학문을 제대로 하기 위해서는 기초를 잘 다져야 한다고 최 교수는 강조한다. “스승의 입장에서 제자들에게 앞으로 어떤 분야에서 공부와 연구를 계속하게 될지, 배워서 어떻게 응용할지 나노바이오공학자로서의 아이덴티티를 갖도록 가르치고 있다. 교수의 역할은 학생을 키워 미래의 인재로 만들기도 하지만, 이들을 받아줄 산업체나 정부기관에서 학생의 특기와 장점을 찾아낼 수 있도록 돕는 것 또한 중요한 역할이라고 믿는다. 또 연구자로서 느끼기로 병원의 임상의사들도 나노기술로 병균을 검출하는 것, 세포 및 조직을 치료하는 것에 관심이 많다고 본다. 그래서 오늘날 의대/치대/약대와 공대, 자연대 연구자 간의 협업은 익숙한 융합이 이뤄지고 있다. 이러면 융합 연구에 있어 보다 가치 있는 성과로 이어질 확률이 높다” 이러한 연구 철학은 미국에서 대학원을 이수한 동료들과의 기술격차를 줄이고자 하는 생각에서 나왔다.

“미국 현지의 동료 연구진들은 충분히 앞서나가고 있다. 바라는 것은 10년, 20년이 지나 연구 성과를 돌아봤을 때, 우리나라의 공학 기술이 선진국에 뒤처지지 않고 잘 따라갔으면 하는 점이다. 그래서 해외 현지의 학자들, 교수들과 많은 교류를 하고 학생들과 젊은 연구자들과 자주 협업하도록 한다” 최 교수는 양방향으로 의료계와 공학, 자연과학자들이 서로 협력하는 기술발전이 중요할 것이라고 강조한다. 이러한 융합학문이 과학발전 및 새로운 일자리 창출에 기여할 것은 자명하다. 기초연구에 대한 투자로 핵심기반기술을 발전시키는 것은 세계시장에서 한국이 경쟁력을 갖는 요소가 될 것이다. 최종훈 교수의 연구 성과와 리더십이 더욱 장기적으로 성과를 거두기 위해, 앞으로도 지속적인 나노기술력에 대한 관심을 기대해 본다. 

Detecting deadly francisella tularensis
Only 1/10 of the existing concentration to detect by using apoferritin nano particles
Professor Jonghoon Choi of Bio-nanotechnology at Hanyang University

The innovation of detecting francisella tularensis with advanced nanotechnology
Dr. Howang Lee discovered hantavirus in 1975 by dying serum with fluorescer to find antigen. As a result, he raised Korea's global profile. After 40 years, Professor Jonghoon Choi and his team of Bio-nanotechnology at Hanyang University succeeded detecting francisella tularensis at 1/10 of minimal concentration with pathogen detection by using apoferritin nano particles synthesized in genetic recombination. Detecting francisella tularensis, as deadly as anthrax, in this condition, means that we are now able to detect the risk elements early in the biological warfare and can save many lives. Francisella tularensis was developed by the US government against the former Soviet Union in the 1960s and has high fatality rate like botulinum and cholera.

Only 10 germs of francisella tularensis can kill a person when in the body. With nanotechnology, Choi transmitted nano-structures, consisted of 24 apoferritin protein, and fluorescer and used these matters as carrier to stick to the virus. He then manipulated the gene to make the part where antibody and fluorescer are merged with protein and reveals it to the virus so that it can easily adhere. This technology actually increased the rate of adherence significantly when compared to the past. It means that we are now able to detect the deadly virus with even a small amount of it. Supported by Ministry of Science, ICT and Future Planning, National Research Foundation of Korea, Korea Centers for Disease Control and Prevention and Ministry of Health and Welfare, Choi and his team's great achievement has been published on international academic journals specialized on toxic substances.

The technology enables us to detect virus even when two kinds of high risk bacteria are mixed. Choi finished a PhD course and research course in the US three years ago and devoted himself to combining nanotechnology with high risk pathogen when he came back to Korea. He developed antibacterial type 'Nano Complex Structure' by applying nanotechnology and is currently working on analysis of the characters of pancreatic cancer cell. Choi and his team's recent achievement gained international confidence in the field and the technology can be applied widely to the defence industry especially in the bacteriological warfare. 

Fusion study with firm foundation to draw bigger results
Choi highly praises the research capabilities on industry-academic cooperation and engineering technology of Hanyang University. Choi said "I and my students of Bio-nanotechnology Department are currently working on nanotechnology-inspired detection and treatment in the medical fields. We are also carrying out stem cell biological treatment and recovery of scar tissue in cooperation with Dental School at Yonsei University in the hope of regenerating the tissue, affected by birth defect such as palatoschisis, by using stem cell."

The Department of Bio-nanotechnology is a combination of Biotechnology and Nanotechnology and it is very important to build a firm foundation for the department to develop. Choi said "I encourage my students to have one's own identity as a bio-nanotechnology scholar. Finding one's role in our society is as important as building professional career in the field. Many of clinical instructors also show a great interest in detecting virus and curing cells and tissues with nanotechnology. For this reason, fusion study between the departments are becoming common and these cooperations will certainly contribute to the development of the field."

Choi added "many of my colleague researchers in the US are advancing with their knowledge and ability. I hope that Korea's engineering technology will match with those of global technology after 10 or 20 years. In this respect, we will actively exchange related information with overseas scholars and professors." It seems clear that these fusion studies and exchange will contribute to job creation and national development. Active investment in R&D can equip Korea with global competitiveness and Choi and his team will play a great part to raise national profile in the world.