대표적 분자인식물질 중 하나인 압타머(Aptamer)는 특정 서열의 핵산 분자로 목표물질을 특이적 인식하여 결합할 수 있는 놀라운 능력을 갖는다. 지금까지 단백질, 작은 분자, 금속이온, 심지어는 세포 및 바이러스 자체도 구분할 수 있는 다양한 압타머들이 개발되어 오고 있고, 이에 따라 분자진단, 약물전달 등의 핵심적 의학 분야로 널리 사용되는 중이다. 이렇게 유용한 압타머는 1015-16개에 달하는 무작위 핵산 서열로부터 선택 및 증폭의 반복적 과정을 통해 분자인식 기능의 서열을 찾아내는 “시험관 유도 진화(in vitro selection)” 기술에 의해 개발된다. 이러한 혁신적 시험관 유도 진화는 합리적 설계에 의해 단순한 목표물질의 결합이라는 차원을 뛰어 넘어 복잡한 분자 생물학적 신호를 조절하는 획기적 분자소재의 구현을 가능하게 한다. 이에 따라 본 연구실은 세포신호처리 기작에 관여되는 수용체의 능동적 조절이 가능한 신개념 분자인식물질(예) 합성성장인자)을 새롭게 개발하고 이를 다양하게 응용하는 창의적 연구들을 수행하고 있다.

효소는 단순한 분자 합성부터 복잡한 신경전달에 이르기까지 수천 가지의 생물학적 반응들을 선택적 촉진한다. 그러나 자연계의 효소는 생명체가 요구하는 특정적 반응에만 특화되어 있음에 따라 원하는 방향으로의 기능 전환이 상당히 어렵고, 생물학적 생산 방식에만 크게 의존하여 고순도의 대량생산이 쉽지 않다. 본 연구실은 효소가 기질을 선택적 인식하여 촉매활성부위와의 최적화된 결합을 통해 선택적 촉매활동을 수행한다는 기본 원리에 입각하여 서열조절 생체고분자의 맞춤형 3차원 나노구조의 형성을 통해 ‘합성효소’라는 획기적 분야를 개척하고 있다. 우리가 지향하는 합성효소는 1) 생물학적 효소처럼 특정한 생화학 반응을 선택적 촉진하고, 2) 손쉬운 인공적 합성 및 정제를 가능하게 한다. 화학적 합성이 가능한 핵산효소(Nucleozyme)가 이러한 합성효소의 일례라고 할 수 있고, 효소의 모듈화 구조체의 체계적 모방을 통하여 본 연구실은 유전자 절단/접합 및 과산화반응과 같은 흥미로운 촉매반응을 선택적 수행하는 DNA, RNA효소들(DNAzyme, Ribozyme)을 앞서 발굴한 바 있다. 이러한 핵산효소들은 특정 분자에 대한 촉매 활성화를 통하여 고성능 바이오센서 구현에 활용될 뿐 아니라, 생명체의 유전체 내로 삽입되어 유전자 발현, 단백질 생산 등을 조절하는 인공적 생명체의 유전자 회로(Genetic circuit)로 작용할 것으로 예상된다.

서열조절 생체고분자들은 독특한 3차원 구조 형성에 기반하여 앞서 언급한 목표물질의 특이적 인식, 선택적 촉매반응과 같은 분자적 기능들을 완수할 수 있을 뿐 아니라, 외부적 환경에 반응하여 동역학적 운동작용, 즉 기계적 나노거동을 수행하도록 프로그래밍될 수 있다. 본 연구실은 목표물질과의 특이적 결합에 유도되는 기계적 나노거동의 구조변경 압타머(Structure-switching aptamer) 라는 핵산 기반 분자기계의 독창적 연구를 현재 수행 중에 있다. 이러한 분자기계는 모든 생명체가 유전적 정보에 활용하는 핵산 분자로 구현됨에 따라 원하는 세포 내 유전체에 쉽게 삽입될 수 있고, 목표물질의 농도에 따른 구조변경을 통해 특정 유전자의 발현을 조절하는 RNA스위치(Riboswitch)로 동작할 수 있다. 다양한 목표물질들에 반응하는 RNA스위치의 개발을 통해 복잡한 명령을 수행하는 인공적 세포(Artificial cell)의 구현이 가능하고, 이는 원하는 고부가가치 물질을 고효율 생산하는 산업적 미생물로 사용되거나 살아서 움직이는 새로운 개념의 미생물 센서로서 의료 및 군사적 목적으로 적극 활용될 것으로 전망된다.

세포막은 세포의 생존에 있어 필수적인 구성 요소로 막 단백질을 통해 세포 안팎으로의 다양한 물질출입을 통제하고 조절한다. 특히 막 단백질 중 이온 채널은 선택적으로 원하는 이온만을 통과시킴에 따라 전기적 신호의 생성 및 전달, 신경전달물질의 분비, 항상성 유지 등 다양한 생리기능을 조절하는 역할을 담당한다. 본 연구실에서는 이러한 자연계의 이온 채널을 모사하여, 분자인식 기반의 선택적 분자여과막을 인공적으로 제작하는 선구적인 과제에 도전하고 있다. 서열조절이 가능한 생체고분자를 합리적으로 설계하고 합성함에 따라 인공적 분자 채널을 구현하고, 이를 통해 목표이온 및 분자물질의 출입을 조절하는 ‘합성 분자여과막’으로 확장하고자 한다. 이러한 선택적 여과막은 최신의 이온 소자들과 결합하여 생명체 신호의 실시간 측정이 가능한 새로운 유형의 바이오센서 개발에 활용될 수 있고, 약물 분자의 안정적 방출을 통제하는 인공 채널을 포함한 리포좀/프로티노좀을 통해 신개념 약물 치료제로 활용될 것으로 예측한다.