의료·식품 등에 쓸 수 있는 ′홍합 접착제′ 개발 (동아사이언스 2010년 03월 14일)

의료·식품 등에 쓸 수 있는 ′홍합 접착제′ 개발

포스텍 차영준 교수 연구팀, 홍합 접착 물질 기작 최초 확인

2010년 03월 14일

홍합이 바위에 붙어있는 성질을 활용한 생체 접착물질이 개발됐다

홍합이 바위에 붙어있는 성질을 활용한 생체 접착물질이 개발됐다. 접착력이 우수하고 인체에도 안전해 의료 및 기능성 화장품 등에 활용될 전망이다.

포스텍 차형준 교수팀은 14일 홍합을 이용해 고농도 액상 콜로이드 형태의 코아세르베이트 생체접착물질을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

서로 다른 전하를 띠는 물질이 특정 조건에서 혼합할 때 2개의 액상으로 분리되는 현상이 발생하는데, 이 중에서 농도가 짙은 콜로이드 액적을 코아세르베이트라고 한다.

이 연구는 이달 1일 생체소자 분야 저널인 ¡Ç바이오머터리얼즈¡Ç(Biomaterials) 온라인 판에 게재됐으며 5월호에 실릴 계획이다.

차 교수는 ＂홍합이 ¡Ç족사¡Ç라는 실 같은 물질로 단백질을 분비해 바위 같은 표면에 단단히 붙어 자란다는 것을 확인했다＂고 말했다. 홍합이 접착물질을 분비하고 표면에 접착하는 방식을 명확하게 밝혀낸 것은 이번이 처음이다.

연구팀은 홍합접착 단백질 80%와 대표적인 생체 재료 중 하나인 히알루론산 20%를 혼합해 액상 콜로이드인 코아세르베이트를 개발했다. 차 교수는 ＂물에 잘 섞이지 않고 표면장력도 낮으며 인체에도 안전한 것이 특징＂이라고 설명했다.

이 연구는 의약품, 식품, 화장품 등의 개발에 활용될 것으로 기대된다. 차 교수는 ＂코아세르베이트를 이용해 마이크로캡슐을 개발해 약물전달을 위한 운반체로서 활용할 수 있을 뿐 아니라 화장품 및 식품의 첨가물질로도 응용할 수 있다＂고 말했다.

한편, 연구팀은 홍합접착물질의 국내특허 출원을 마쳤으며 국제특허 출원을 준비하고 있다고 덧붙였다.

접착제의 무한변신, 그 중 최고는? 2008년 03월 24일

신발, 가방, 책, 가구 그리고 휴대폰의 터치스크린의 공통점은 뭘까? 전혀 상관이 없어 보이는 이것들은 모두 접착제를 써서 만든다는 점에서 일치한다. 요즘은 자동차나 비행기를 만들 때 강판끼리 붙이거나, 강판과 플라스틱을 붙이는 데도 어김없이 접착제의 도움을 받는다. 우주왕복선 콜럼비아호의 3만2천개의 방열타일 역시, 접착제로 붙여서 고정했다. 접착제 없는 현대 문명을 상상할 수 있을까? 접착제 역사는 3300년 전 이집트로 거슬러 올라간다. 두 물체 사이에 송진이나 식물의 액체 성분을 넣어두면 재료가 붙는다는 것을 발견한 것이 시초다. 이후 개발된 접착제는 크게 세 가지 종류로 발전해 왔다. 먼저 녹말풀 등과 같이 고분자를 용액으로 사용하는 것, 두 번째는 시아노아크릴레이트, 비스아크릴레이트 등과 같이 처음에는 저분자의 액상이던 것이 붙은 다음 중합반응으로 고분자가 되는 것, 마지막으로 에틸렌비닐아세테이트나 폴리아미드와 같이 고분자의 고체를 가열해 용융시켜 붙이는 것이다. 종류는 다르지만 이들 접착제의 원리는 거의 동일하다. 아무리 표면이 매끄러운 물체라고 현미경으로 들여다보면 그 표면은 매우 울퉁불퉁하다. 접착제는 이 틈 사이로 스며들어가 굳어 서로를 붙게 만드는 것이다. 주변에서 쉽게 볼 수 있는 액상 접착제는 보관 용기 안에 있을 때에는 별다른 접착력을 보이지는 않다가 밖으로 나오면 착 달라붙는다. 왜 그럴까? 이유는 접착제에 안정제가 함께 들어 있기 때문이다. 안정제가 접착제를 낱개 분자형태로 존재하게 만들어 접착을 막는다. 하지만 접착물질이 공기나 물속에 노출되면 안정제가 제 기능을 발휘하지 못하게 된다. 이때 낱개 분자들이 수백~수천 개로 결합하는 중합반응을 일으키면서 결합한다. 이 결합이 강할수록 접착력이 강해진다. 이와는 다른 형태의 접착제도 있다. 바이오칩이나 바이오센서를 제작하려면 DNA 같은 생분자를 표면에 고정시켜야 한다. 따라서 바이오칩이나 바이오센서를 만들 때 쓰는 접착제는 일반 접착제와 달리 ‘포스트잇’처럼 붙였다 떼었다하는 기능이 있어야 한다. 이런 기능을 가진 접착제 중에서 가장 강력한 접착제는 ‘아비딘-비오틴 접착제’다. 아비딘은 단백질로 계란 흰자에 함유돼 있는 성분이며, 비오틴은 비타민H 또는 B7이다. 이 두 분자의 복합체는 자연물질의 복합체 중 가장 결합력이 강한 것으로 알려져 있다. 접착제의 강도를 말할 때 ‘결합상수’로 비교하는데 아비딘-비오틴 접착제의 결합상수는 1013~1015나 된다. 이 의미는 분자수가 결합상수에 해당하는 1013~1015개 만큼을 넘어서야 비로소 결합하지 않는 분자가 1-2개 생긴다는 뜻이다. 일반적으로 결합상수가 106이면 대단히 강력한 접착제로 분류하니 얼마나 강력한 결합력을 갖는지 짐작할 수 있다. 하지만 두 물질은 단백질 같은 생분자에서 추출해야 하기 때문에 많은 비용과 시간이 든다. 또 아비딘은 높은 온도에서 실험하기 어려워 다양한 유기화학반응에 이용하기에는 한계가 있다. 때문에 그동안 새로운 접착 물질을 찾기 위한 노력이 계속돼 왔다. 최근 국내 연구팀이 바이오칩, 바이오센서에 활용될 수 있는 강력한 인공분자 접착제를 개발해 관심을 끌고 있다. 포스텍 화학과 김기문 교수와 고영호 조교수팀은 미국·일본과 공동연구로 인공 수용체인 쿠커비투릴과 페로센 유도체를 결합시킨 새로운 접착제를 개발했다. 페로센 유도체는 길다란 페로센 분자의 옆에 암모늄 그룹을 가지처럼 붙인 것이다. 홍합접착단백질 기반 생체접착물질 개발 (연합뉴스 2010/03/14 12:20) 홍합접착단백질 기반 생체접착물질 개발 포스텍 차형준 교수 '바이오머티리얼스' 발표 연구팀은 방사광가속기를 활용해 X선 결정 구조를 얻고 실험과 함께 이론적 연구를 통해 결합력이 높은 초분자 복합체의 조건을 찾아내 결합상수를 1015까지 끌어올렸다. 가장 강력하다고 알려진 아비딘-비오틴 접착제보다 더 강한 접착제를 찾은 것이다. 쿠커비투릴-페로센 유도체에 높은 결합력이 나타나는 이유는 쿠커비투릴 분자에 뚫린 구멍에 페로센이 정확히 들어맞기 때문이다. 또 지금까지 단백질-리간드 복합체를 포함한 거의 모든 초분자 시스템에서 관찰되던 분자간 밀침 현상도 나타내지 않고 있다. 덕분에 밀쳐내는 힘 없이 당기는 힘만 작용하게 돼 강력한 접착력을 갖게 됐다. 새 인공복합체는 결합력이 아비딘-비오틴 접착제에 뒤지지 않으면서도 기존 접착제가 갖고 있는 여러 단점을 해소한 것으로 평가받고 있다. 아비딘-비오틴은 단백질등 생물질에서 추출해낸, 생분자 접착제인만큼 정제하는데 많은 비용과 시간이 든다. 또한 생분자인 아비딘은 높은 온도에서 다루기가 어려워 유기화학반응에 응용하는 데 한계가 있었다. 하지만 쿠커비투릴-페로센 유도체 접착제는 인공분자 접착제이기 때문에 높은 온도에서도 안정적인 상태를 유지하는데다, 합성과 화학적 변형이 쉽다는 장점을 갖고 있다. 연구팀은 이 인공 접착제가 실용화되면 DNA칩을 제작할 때 비용과 시간을 크게 줄이고 면역실험이나 항원 정제 같은 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 과학자들은 특별한 접착제를 만들기 위해 종종 자연계에 존재하는 생물에서 아이디어를 빌려오기도 한다. 나노크기의 미세한 털을 이용해 미끄러운 창문이라도 거침없이 기어오르는 도마뱀붙이의 발바닥에서 아이디어를 빌려 고분자 실리콘에 미세한 나노 공정을 가해 접착력을 높이는 방법을 찾아냈다. 또 홍합에서 힌트를 얻어 고분자 물질과 아미노산 물질(DOPA)을 함께 쓰는 접착제를 개발하기도 했다. 이들 접착제는 강한 접착력을 가지면서도 반복해서 사용하거나 물속에서도 사용이 가능하다는 것이 특징이다. 때문에 창문을 기어오르는 로봇이나 물속에서도 오래가는 밴드 같은 의료산업에 널리 응용될 전망이다. <출처:KISTI의 과학향기> 유상연 과학칼럼니스트

[대학연구소]포스텍 해양바이오산업신소재연구단

홍합 생명력 활용 바이오 기술 ‘눈길’

[종목] 화장 [분야] 패션/뷰티 [작성자] 편집국 [작성일] 2010.10.14. 13:40

홍합은 일반적으로 노화를 예방해 주고 각종 비타민과 미네랄 성분이 풍부해 골다공증을 예방해 주는 건강 식품으로 알려져 있다. 특히 홍합은 자체적으로 ‘접착단백질’을 분비해 실 모양의 분비물인 족사(足絲)를 이용해 파도가 치는 해안가 바위에도 문제없이 붙어서 생존한다. 이러한 홍합만이 가진 독특한 단백질 성분이 최근 의료분야와 화장품 원료로 활용도가 높은 것으로 나타나 주목 받고 있다. 홍합 단백질은 의료 용품분야에서도 새롭게 각광 받고 있다. 포스텍 차형준 교수 연구팀은 2007년 홍합의 접착단백질에 착안, 하이브리드형태의 홍합접착단백질을 대량 생산에 성공해 특허를 받았다. 최근에는 이러한 단백질을 이용해 줄기세포를 포함한 다양한 표적세포에만 작용하는 ‘차세대 고기능성 세포접착제’를 개발했다. 기존 세포접착제가 물리적인 접착 기능만을 갖춘 반면 이번에 개발된 세포접착체는 생체성분이기 때문에 세포의 펴짐, 생존, 성장 기능을 활성화 할 수 있는 것이 장점이다. 기능은 월등하지만 단가는 기존과 비슷한 수준으로 연구용 시약이나 화장품 원료로 사용 될 수 있을 것으로 예상되고 있다. 홍합의 강력한 접착력은 인공뼈를 개발하는데에도 활용될 수 있는 것으로 나타났다. KAIST 이해신, 박찬범 교수팀은 지난 7월 소재에 관계없이 뼈의 미네랄 성분을 고속으로 형성시킬 수 있는 원천기술 개발에 성공했다. 이 기술의 핵심은 뼈의 주요 성분인 인산화칼슘 미네랄 결정을 다양한 표면에서 고속 성장시키는 것으로써 홍합의 접착현상에 착안해 개발 되었다. ‘폴리도파민’이라 불리는 홍합접착제를 모방한 무독성의 화학성분을 코팅해 지표면의 종류에 상관없이 인산화칼슘 결정이 손쉽게 자랄 수 있다. 기존 인공뼈는 티타늄을 원료로 해 사용범위가 적었지만 ‘홍합 인공뼈’ 개발로 차세대 치과용 임플란트용 표면 소재 개발과 심장 판막 같은 다양한 응용분야에 사용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 토자이홀딩스는 이러한 홍합의 접착력을 활용, 화장품 원료 ‘MAP’을 개발하고 원료로 세계최초로 원료 사용 가능 인증을 받았다. 홍합 단백질을 활용한 ‘MAP(MapTrix and Peptide)’은 피부의 구성물질인 세포외기질(ECM)에 홍합 단백질을 바이오 기술로 결합해 탄생한 원료로 노화가 되면 부족해지는 생체 성분을 채워주는 역할을 한다. 나이가 들면 피부 세포를 구성하고 있는 콜라겐, 엘라스틴 등(세포외기질: ECM)가 줄어들어 주름이 생기게 된다 홍합의 단백질은 세포 구성물질이 사라져 주름이 생긴 부위에 화장품의 상처치유 성분(W3)등 유효 성분들이 제대로 흡착될 수 있도록 하는 역할을 하게 된다. 기존의 화장품 원료로서 각광 받아온 콜라겐에 이어 홍합의 접착 기술을 활용, 새로운 화장품 원료로 두각을 나타내고 있다. ‘MAP’을 원료로 선보인 코스메틱 브랜드 ‘LAAC(락,樂)은 주름을 효과적으로 개선하고 피부 신진 대사를 도와 투명한 피부로 가꾸어주는 미백 기능을 제공해 소비자들에게 좋은 반응을 얻고 있다.

홍합접착단백질 기반 생체접착물질 개발

특히 연구진은 족사와 같이 매우 좁은 관을 통해서도 분비가 가능하고 접착력도 뛰어난 액상 형태의 고농도 콜로이드 접착물질을 개발하는데 성공했다.

차 교수팀이 개발한 액상 콜로이드 접착물질은 물에 잘 섞이지 않고 표면장력이 매우 낮으며 기존의 홍합접착단백질 용액에 비해 접착력이 두 배 이상 크다.

차 교수팀은 홍합접착단백질 80%와 대표적인 생체재료 중 하나인 히알루론산 20%를 혼합, 액상 콜로이드인 코아세르베이트를 만들어내는데 성공했다.

이 물질은 접착력이 뛰어나고 물에 잘 섞이지 않으며 표면장력이 매우 낮아 탁월한 물리적 특성을 지녔을 뿐 아니라, 인체에도 안전하게 사용할 수 있는 생체적합성을 지니고 있어 차세대 고기능성 생체접착제로 다양하게 활용될 수 있다.

또한 연구팀은 홍합접착단백질을 이용한 코아세르베이트 형성을 실험으로 증명하고, 자연에 존재하는 홍합이 족사를 통해 고농도 접착 물질을 분비한다는 메커니즘을 밝혀냈다.

코아세르베이트를 활용한 마이크로캡슐은 의료용 접착제 등 약물전달 물질로 활용될 수 있을 뿐 아니라 기능성 화장품과 식품 첨가물질로도 효율적으로 활용될 수 있다고 연구진은 설명했다.

<사진: 홍합의 족사(足絲)와 접착단백질>

국내 연구진이 자연에 존재하는 홍합이 족사(足絲)란 접착단백질을 분비해 단단히 붙어 자라는 성질을 이용해 인체에 안전한 차세대 고기능성 생체접착제를 개발했다.

14일 교육과학기술부에 따르면 포스텍 차형준 교수팀은 생체 모방 기술과 유전 재설계 기술을 이용해 홍합접착단백질을 기반으로 고농도 액상 콜로이드 형태의 코아세르베이트 생체접착물질을 개발하는데 성공했다.

서로 다른 전하를 띠는 물질이 특정 조건에서 혼합할 때 2개의 액상으로 분리되는 현상이 발생하는데, 이 중에서 농도가 짙은 콜로이드 액적을 코아세르베이트라고 한다.

이번 연구결과는 지난 1일 생체소재 분야 최고권위 과학저널인 바이오머티리얼스(Biomaterials)지 온라인판에 게재됐다.

지금까지 학계에서는 홍합이 어떻게 점도가 높은 고농도 접착 물질을 분비해 바닷물에 흩어지지 않고 표면에 접착할 수 있는지에 대해 메커니즘을 명확히 밝혀내지 못했다.

차 교수팀은 홍합이 '족사'란 실 같은 물질로 접착 단백질을 분비해 바위와 같은 표면에 단단히 붙어 자란다는 점을 확인했고, 지난 2007년에는 세계에서 유일하게 실제 사용할 수 있는 하이브리드 형태의 홍합접착단백질을 대량 생산했다.

특히 연구진은 족사와 같이 매우 좁은 관을 통해서도 분비가 가능하고 접착력도 뛰어난 액상 형태의 고농도 콜로이드 접착물질을 개발하는데 성공했다.

차 교수팀이 개발한 액상 콜로이드 접착물질은 물에 잘 섞이지 않고 표면장력이 매우 낮으며 기존의 홍합접착단백질 용액에 비해 접착력이 두 배 이상 크다.

차 교수팀은 홍합접착단백질 80%와 대표적인 생체재료 중 하나인 히알루론산 20%를 혼합, 액상 콜로이드인 코아세르베이트를 만들어내는데 성공했다.

이 물질은 접착력이 뛰어나고 물에 잘 섞이지 않으며 표면장력이 매우 낮아 탁월한 물리적 특성을 지녔을 뿐 아니라, 인체에도 안전하게 사용할 수 있는 생체적합성을 지니고 있어 차세대 고기능성 생체접착제로 다양하게 활용될 수 있다.

또한 연구팀은 홍합접착단백질을 이용한 코아세르베이트 형성을 실험으로 증명하고, 자연에 존재하는 홍합이 족사를 통해 고농도 접착 물질을 분비한다는 메커니즘을 밝혀냈다.

코아세르베이트를 활용한 마이크로캡슐은 의료용 접착제 등 약물전달 물질로 활용될 수 있을 뿐 아니라 기능성 화장품과 식품 첨가물질로도 효율적으로 활용될 수 있다고 연구진은 설명했다.

<사진: 홍합의 족사(足絲)와 접착단백질>