DNAs
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : DNA 나노 구조체의 제작 원리와 종류
영문 : The Principle of making Nanostructure made with DNA and the variety of their structures
과제 팀명
DNAs
지도교수
이종범 교수님, 유종석 교수님
개발기간
2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20153400** 최**(팀장)
서울시립대학교 생명공학과 20165600** 송**
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 김**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ DNA를 생체 재료로 활용하여 drug delivery에 활용하는 나노 구조체의 제작 원리를 파악한다
◇ DNA 나노 구조체의 종류에 따른 생체 내 작용을 파악한다
개발 과제의 배경
DNA가 생체 재료로써 각광받고 있기 때문에 DNA를 활용한 나노 구조체의 제작 원리와, 만들 수 있는 무궁무진한 구조체의 종류를 파악함으로써 현대 사회에서 가장 중요한 drug delivery 핵심 기술을 익힌다.
DNA 나노 구조체의 종류에 따라 생체 내(in vivo)에서 작용하는 범위와 효과가 다르기 때문에 drug delivery 산업에서 어떤 식으로 화학공학과 엔지니어가 연구를 진행하는 지 알아보는 것으로 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 현대 사회에서 엔지니어가 전공 분야 뿐만 아니라 다른 전공의 엔지니어와 협력하는 것이 중요한만큼 생명과학과에서 화학공학을 복수전공하는 송**학생과 화학공학과 전공인 최**, 김** 학생이 협력하여 같은 프로젝트를 진행함으로써 팀 프로젝트를 해결할 수 있는 역량을 키운다.
◇ DNA는 단순히 유전 정보만 담고 있는 것이 아니라 생체 재료로써 다양하게 활용될 수 있다. 생체 재료로써 DNA 나노 구조체를 제작하고 drug delivery 등에 적용하는 과정을 전반적으로 파악함으로써 생물화학공학 분야의 연구를 진행한다.
◇ 본 과제는 리뷰 논문 형식으로 제작하는 것으로 한다. 리뷰 논문이란 기존 논문을 연구하고 재조명하는 연구로 이번 논문에서는 기존 논문에서 제기된 내용들을 한데모아 정리해 그 중요성을 부각하고 체계적으로 검토하는 데 의의가 있다.
◇ 중간 발표 및 기말 발표, 포스터 발표를 통해서 알고 있는 지식을 대중 앞에서 정확하게 전달하는 능력을 기른다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
마크 바테 미국 매사추세츠공대(MIT) 생명공학부 교수와 전형민 박사후연구원 연구팀은 DNA로 2차원 형태와 3차원 형태의 나노구조물을 설계하는 프로그램을 개발하고 연구결과를 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'와 '미국화학회(ACS)나노'에 2019년 1월 2일과 3일 각각 발표했다. 이는 DNA를 활용해 복잡한 나노 구조물을 보다 쉽게 만들 수 있는 프로그램이다. 'DNA 오리가미(종이접기)'로 불리는 이 기술을 이용하면 인체 내 약물전달체나 바이오센서, 나노로봇을 제작하는 데 도움을 줄 수 있다. DNA 종이접기(오리가미)는 1개의 매우 긴 DNA 단일가닥이 수십개에서 수백개의 짧은 DNA 단일가닥과 자기조립기능을 통해 서로 엮어가며 나노미터(㎚·10억분의 1m) 단위의 구조물을 형성하는 방법이다. DNA는 염기 두 종류씩 서로 짝을 이뤄 결합한다. 이때 긴 DNA 가닥의 염기 순서를 미리 설계하면 짧은 가닥들이 붙을 위치를 정할 수 있고, 긴 가닥이 마치 종이접기를 하듯 접혀지며 구조를 형성한다. 지금까지 일부 전문가들만 이 방법을 이용해 DNA 나노 구조물을 제작할 수 있었다. 복잡한 형상을 만드는 데도 한계가 있다. 연구팀은 누구나 DNA 나노 구조물을 설계할 수 있는 'PERDIX' 프로그램을 개발했다. 프로그램 사용자가 컴퓨터에서 원하는 그림을 그리면 그대로 DNA 나노 구조물을 설계한다. 설계대로 조립하기 위한 DNA 염기 순서 정보도 제공한다. 사용자는 이 정보를 바탕으로 DNA를 합성해 체성분 용액에 풀기만 하면 원하는 나노 구조물을 만들 수 있다. 이렇게 형성된 DNA 구조체는 최대 한 달까지 구조를 유지했다. 연구팀은 2가닥의 DNA로 한 변을 만든 뒤 이를 이용해 2차원 형태의 구조물을 제작한 데 이어 6가닥의 DNA로 한 변을 만드는 데도 성공했다. 한 변에서 접혀나갈 수 있는 DNA의 수가 많아지며 입체적인 형태 구성도 가능해진 것이다. 연구팀은 극저온 전자현미경을 통해 실제 합성된 구조물들이 견고한 3차원 구조로 형성됐다는 사실을 확인했다. 3차원 구조를 설계할 수 있는 프로그램 'TALOS'도 공개했다. 출처 : http://dongascience.donga.com/news.php?idx=26193
- 특허조사 및 특허 전략 분석
대한민국 특허청 공개특허공보에 따르면 공개번호 10-2017-0118655 공개일자 2017년 10월 25일에 이화여자대학교 산학협력단이 출원인으로 '핵산 나노구조체의 대량생산방법 및 이외 약물전달체로서의 활용'이라는 명칭으로 특허가 등록되어 있다. 이는 DNA 또는 RNA 핵산 나노구조체의 대량생산방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 핵산 나노구조체의 활성제 전달용도에 관한 것이며 본 발명의 DNA 나노구조체 또는 RNA 나노구조체의 대량 생산법에 따르면, 증폭 주형 내에 절단 위치가 존재함으로써 위치특이적 절단을 통해 원하는 핵산을 높은 효율로 대량생산할 수 있고, 이를 이용하여 목적하는 활성제를 세포 내로 용이하게 전달할 수 있거나, 주형 내에 목적하는 siRNA 서열을 직접 포함하여 siRNA 전달을 할 수 있는 나노구조체를 직접 생산할 수 있으므로, 효율적인 핵산 증폭을 달성하여 핵산 나노구조체를 대량 생산하고, 활성제를 세포 내로 전달하는데 유용하게 사용될 수 있다고 서술되어 있다. 출처: http://kpat.kipris.or.kr/kpat/1020170133145.pdf?method=fullText&applno=1020170133145&pub_reg=P
따라서 핵산 나노구조체의 대량생산이나 약물전달체로서의 활용 아이디어는 이미 특허에 등록되어 있으므로 핵산 나노구조체의 다양한 구조 제작 방법 및 각 구조에 따른 약물전달 효과의 다양성, 특이성 등을 주제로 더 자세하고 구체적인 방법을 논한다면 특허를 받을 수 있는 전략이 될 것이다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ drug delivery에서 면역 반응을 줄일 수 있기 때문에 그 효과가 증대된다.
◇ DNA를 생체 재료로써 활용하여 다양한 물질을 만들어 낼 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
[1] DNA 나노구조체를 항암치료제의 carrier로써 사용하면 암세포에 항암제를 전달하고 약재 내성을 억제시켜 항암치료 효과를 향상시킬 수 있다. 김원종 IBS 복잡계 자기조립 연구단 박사는 작은 나노 입자 표면에 DNA를 고밀도로 붙이고 이후 DNA간 염기에 따른 특이적이고도 강한 결합을 바탕으로 DNA 나노구조체를 만들고 이 때 서로 결합하는 DNA 사이에 항암제를 주입하고, DNA 서열 구조가 세포 내 환경에 의해 변하는 원리를 이용해 세포 내에서만 감응하는 약물 방출 시스템을 개발하였다. 출처: https://www.sciencetimes.co.kr/news/dna-나노구조체-이용항암-효과-높여
[2] 개별 환자를 위한 맞춤형 DNA nano carrier를 만들어서 씀으로써 면역 반응을 억제하고 intake의 효율을 극대화 시킬 수 있다.
[3] 자기장, 초음파 또는 빛과 같은 외부 물리적 트리거를 이용하여 세포 내부에 내재화된 나노입자를 활성화시켜 치료 효능을 증대시킬 수 있다.
[4] 약물 방출 및 종양 내 침투 추적, 영상 유도 초점 요법 및 치료 반응 모니터링에 도움이 될 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
결과 및 평가
완료 작품의 소개
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
프로젝트 종합설계 과목의 최종 발표에서 전반적인 내용을 발표하고 교수님들의 피드백을 받았다.
향후계획
이번 과목을 통해 배운 연구 방법 및 프레젠테이션 방법을 팀원 각자의 진로를 통해서 활용하고 향상시킬 것이다.
