본 연구실은 1990년부터 시작되어 현재 포항공대 생명공학연구센터 4층에 약 120평규모의 실험실, 연구기기실 등의 첨단 연구시설을 갖추고 연구에 임하고 있다.
연구실 초기에는 유기금속촉매, DNA 가수분해 촉매, 비선형광학용 분자막 등 다양한 주제와 접하였으나 현재는 자기집합 분자막(self-assembled monolayer)을 기반으로 하는 바이오칩, 바이오 AFM, SPR을 통한 분자 동역학 연구에 집중하고 있다. 특히, dendron이라는 분자를 이용하여 표면에 mesospacing을 발생시킨 후 생분자를 immobilize시키는 새로운 approach는 본 연구실의 대표적 실적으로 자리를 잡고 있다.

지난 14년간 실험실 규모가 성장하여 현재는 연구원, 박사, 석사과정생을 포함하여 총 10명이 연구에 몰두하고 있으며, 기기전담요원, 방문연구원, 학부생을 합치면 근 15명이 된다. 연구분야의 특성에 맞게 각종 표면분석기기와 바이오칩 관련기기를 운영하고 있으며, 생명공학센터의 청정실, 저온실과 같은 시설과 바이오나노텍센터의 기기는 큰 도움이 되고 있다. 현재 본 연구실의 주요과제들은 생명공학센터 전략과제를 비롯하여 여러 개의 국가과제로부터 지원을 받고 있으며, 국제적인 network을 활용하여 방문연구 및 공동연구도 활발히 이루어 지고 있다.

(1) 고감도 고신뢰도 바이오 칩 제작

표면에 고정된 바이오 분자들은 바이오센서, 바이오칩, affinity chromatography, immunoassay, in-situ binding kinetics, 고체 지지대에서의 효소 반응 등 넓은 분야에서 응용되고 있다. 하지만 이들 바이오 분자들이 표면에서 그 고유의 역할을 수행하기 위해서는 고체 지지체 표면과의 상호 작용이 최소화 되어야 하며, 이와 더불어 고정된 바이오 분자들 간의 충분한 공간이 확보되어야 한다. 예를 들어 DNA Microarray에 고정되어 있는 탐침 DNA (probe DNA)들이 밀집되어 있으면 표적 DNA (target DNA)와 탐침 DNA들 간의 입체장애로 인하여 비선택적 결합의 증가와 비효율적인 혼성화, 그리고 긴 혼성화 시간 등과 같이 DNA Microarray의 능률을 저하시키게 된다. 
이러한 표면 개조는 lithography와 같은 top-down 방식의 나노기술로는 이루어지기 어려우며 오히려 bottom-up 방식의 나노기술이 더 효과적이다. 현재 바이오 분자들의 표면밀도를 감소시키기 위한 방법으로 혼합 단일층을 이용할 수 있으나 이 방법은 바이오 분자들을 표면에 균일하게 분포시키기 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 따라서 일정하고 다양한 크기를 가질 수 있는 원뿔모양의 덴드리머를 이용할 경우 표면에서 바이오 분자들의 밀도를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 분자들 간의 간격을 일정하게 유지할 수 있다.

(2) 생분자간 상호작용력 측정

바이오 분자들을 표면에 균일하게 분포시키는 방법을 이용하여 최근 10 여 년에 걸쳐 극미세 힘을 측정하고 응용할 수 있는 실험 기술이 개발되면서 재료과학 및 생명과학을 새로운 시각에서 조명하게 되었다. 특히 단분자 힘 분광학을 이용한 단일 생체분자내의 세부 단위체간 상호작용에 대한 연구와 단백질-단백질, 단백질-리간드, DNA-DNA의 분자인지 상호작용에 대한 연구는 많은 생명과학 분야 연구자들의 관심을 끌고 있을 뿐만 아니라 더 나아가 새로운 관련 기술의 개발을 촉진시키고 있다. 단분자 수준에서 생체 분자의 특이적 상호작용을 연구하기 위하여 원자힘 현미경 (AFM) 장치를 이용한 분자 인지힘 현미경 방법 등을 들 수 있다. AFM 기술은 다양한 분자인지 탐침 기술을 개발 활용함으로써 단일 생체 분자간 또는 단일 생체 분자내 특이적 상호작용을 연구할 수 있을 뿐만 아니라 생리조건에서 생체 분자, 생체 구조체 및 세포 표면을 단분자 수준에서 조작하고 고공간 분해능으로 이미지를 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다.

3. 연구장비

본 연구실에서는 다양한 박막들의 표면 분석을 위하여 Ellipsometer, Contact Angle Goniometer, FT-IR Spectrometer, UV-vis Spectrometer, Atomic Force Microscope, Scanning Tunneling Microscope 장비들을 확보하고 있으며, 초고진공 하에서 저온에서 고온까지 온도를 조절하며 표면 이미지를 얻을 수 있는 AFM과 STM도 보유하고 있다. 이 밖에도 DNA Microarray 제작을 위한 접촉/비접촉식 DNA Microarrayer, 혼성화 장비인 DNA Hybridization Station, 그리고 Microarray의 신호 검출 및 분석을 위한 Confocal/Nonconfocal 방식의 형광 스캐너 및 분석 소프트웨어 장비들을 갖추고 있다. 또한 생체 분자간 특이적 상호작용의 세기를 측정하기 위한 Picoforce Bio AFM을 갖추고 있으며 박막의 제조를 위한 Langmuir-Blodgett trough와 고분자 코팅을 위한 spin coater도 갖추고 있다.

(1) 고감도 고신뢰도 바이오 칩 제작

현재까지 DNA Microarray의 기판으로 사용되고 있는 분자박막들은 최적화되지 못한 일반적인 재료의 표면을 이용하는 것으로 표면에 고정되어 있는 Probe DNA들 간의 근접성으로 인해 DNA Microarray 효능을 제대로 발휘하지 못하고 있다. 이에 DNA 분자 간 충분한 혼성화 공간을 제공하는 특수한 형태의 분자박막을 개발하고 사용한다면 질병 진단 등에서 요구되어 지는 높은 신뢰도의 DNA Microarray를 제작할 수 있을 것이다. 이에 본 연구실에서는 우선 APDES, APMES, aziridine, 혼합단일층 등으로 개질된 고체 기질 표면에서 제작된 DNA Microarray를 이용하여 아민 작용기 밀도에 따른 검출 감도, Dynamic Range, Single Base Mutation 검출 등에 관한 기초실험을 수행하였으며 (Lanmuir 2002,18,1764.), 덴드리머를 고체 표면에 자기 조립하여 일정한 분자 간격을 갖는 잘 정의된 균일한 분자박막을 성공적으로 제조하여 분자박막의 안정성과 여러 특성을 규명하였다 (Lanmuir 2003,19, 2357.). 현재는 이를 바탕으로 제작된 DNA Microarray를 이용하여 입체 장애가 최소화된 표면이 Single Base Mutation 검출, 혼성화 효율, Dynamic Range, Washing Stringency 등에 미치는 영향을 조사하였으며, 또한 이들 결과들은 Probe DNA간의 공간 조절이 고려되지 않은 기존 DNA Microarray와 비교 검토 되었다. 그 결과 입체 장애가 최소화된 DNA Microarray의 경우 기존 DNA Microarray에 비해 훨씬 더 우수한 성능을 보여주었을 뿐만 아니라 용액상에서 얻은 Single Base Mutation 검출 결과와 거의 유사한 결과를 보여주었으며, 또한 짧은 혼성화 시간에도 불구하고 거의 완벽한 혼성화 효율을 보여 줌으로써 덴드리머 분자 박막이 2차원 평면상에 용액상과 유사한 환경을 구현할 수 있는 가능성을 제시해 주었다.

덴드리머를 이용한 일정한 분자 간격을 갖는 잘 정의된 균일한 분자박막은 단백질-리간드 상호작용을 분석하는 연구에 이용될 수 있다. 덴드리머 분자박막에 바이오틴을 고정화하여, 바이오틴-스트렙타비딘 상호작용을 표면에 고정화된 바이오틴간의 공간 조절이 고려되지 않은 기질, 그리고 밀도가 조절된 혼합분자박막과 비교하여 관측한 결과, 덴드리머 분자박막 위에서는 낮은 바이오틴 밀도임에도 불구하고 효율적인 바이오틴-스트렙타비딘 상호작용이 일어남을 확인할 수 있었다 (Chem. Commun. 2004, 1316.). 본 기술은 실제 표적단백질의 분리에 널리 이용되고 있는 친화성 크로마토그래피 (affinity chromatography)에도 적용이 가능하다. 넓은 표면적을 갖는 다공성 유리구슬 (controlled pore glass bead, CPG)에 덴드리머를 고정화하고 여기에 GSH (glutathione)를 배열하여 glutathione S-transferase 분리를 위한 단백질 분리체를 제작하였다. 본 분리체는 상용화된 단백질 분리체와 비교했을 때 높은 리간드 이용율 (ligand utilization)을 보임을 확인할 수 있었다 (Tetrahedron 2004, 60, 7293.).

그림 1. 덴드리머가 도입된 표면에서 제작된 DNA Microarray (Full size)

그림 2. 덴드리머가 도입된 표면위에서의 단백질-리간드 상호작용

(2) 생분자간 상호작용력 측정

AFM은 3차원 이미지 형성을 통해 생분자의 구조를 볼 수 있을 뿐 아니라 비 이미지 형성 도구로서도 많이 쓰이고 있다. 대표적인 경우가 힘곡선을 통해서 개개의 생분자들 간의 상호작용 힘을 연구하는 것이다. 생분자들 사이의 힘에 대한 연구는 생분자의 상호작용을 이해하는데 매우 중요한 분야이고 이러한 생분자 상호작용을 통해 생명체 현상 이해 및 질병 치료에도 도움이 된다. 이에 본 실험실에서는 탐침-표면 사이의 거리와 탐침을 지지하는 캔틸레버에 작용되는 힘의 관계로부터 생분자의 동역학적 연구를 수행하고 있다. 특정 생분자로 코팅된 AFM 탐침과 이와 상호작용하는 생분자를 표면에 고정화한 뒤 거리를 변화시키며 캔틸레버에 작용되는 힘을 측정하면 탐침과 표면에 붙어있는 생분자들 사이에 생기는 힘을 알 수 있고 이를 통해 바이오 분자, 즉 리간드-받개의 상호작용이나 단백질 접힘, DNA-DNA 상호작용 등을 측정하는 연구를 수행하고 있다.　

그림 3. Bio-AFM equipment and DNA interaction force measurement

5. 전망 

(1) 고감도 고신뢰도 바이오 칩 제작 

본 연구실에서 개발된 덴드리머 분자 박막은 DNA Microarray를 이용한 질병진단이나 DNA 검출 등에 매우 신뢰도 높은 결과를 줄 수 있을 뿐만 아니라 DNA Microarray와 같은 특정 영역에 국한 되지 않고 표면에 일정한 공간이 요구되는 많은 분석 방법이나 바이오분자들에 관한 연구로까지 적용되어 질 수 있다. 또한 단일 세포 차원의 분자 수준에서 직접적으로 상호작용력을 측정하여 응용하려는 시도는 바이오센서 및 새로운 특성을 띄는 생분자 시스템 (Biomolecular System)을 제작하는 기술로 발전할 수 있어 바이오 분야의 측정 기술 파급효과는 나노 분야에서 보다 더 커질 것이다.

(2) 생분자간 상호작용력 측정

기술적 측면 : Bio-AFM 분야에서의 우월성은 상업적으로 판매되는 Bio-AFM을 어떻게 창의적으로 응용하는가에 따라 결정되는데 이를 위해 기존의 반도체 분야, 화학 분야, 금속 분야 등에서 존재하던 다양한 방법을 Bio-AFM에 이용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. Bio-AFM을 이용하여 DNA나 단백질, 세포와 같은 생체분자간의 상호작용에 대한 연구를 통해 그 동안 생명현상의 정적 또는 불연속적 파악을 가능하게 한 유전체학, 단백질체학의 단계를 넘어 유전자-단백질-생리현상의 인과관계를 동적으로 관찰, 해석하게 하는 수준으로 질병진단, 예방의학, 신약 개발의 기반을 제공하기에 이에 대한 연구를 할 수 있다. 또한 차세대 DNA 칩, 단백질 칩, 세포 칩 분석법으로 활용이 가능하다. 또한 이러한 연구는 RNA, 제한 효소, 생체막과 같은 다양한 생체분자로 그 범위를 확대시킬 수 있다. 
경제, 산업적 측면 : Bio-AFM 분야는 최신에 부각된 분야로써 다른 바이오 분야들에 비해 선점된 원천 기술이 상대적으로 적으며, 또한 선진 국가들과의 기술력 차이가 없다는 점에서 좋은 공략 시장이 될 수 있을 것으로 예상된다. Bio-AFM을 이용한 세포 표면의 GPCR 연구는 기존의 연구 방법과 더불어 신약 개발에 필요한 여러 연구 과제들을 수행하는 데 큰 도움이 될 것이다.
활용방안 : Bio-AFM을 이용한 생분자 간의 상호작용 측정은 DNA 및 단백질 간의 상호작용에서부터 세포 간 신호 전달 과정의 이해도를 높이는 등 생명 과학 분야 제반에 미치는 파급 효과가 엄청날 것으로 예상된다. Bio-AFM을 이용한 생분자 간의 단일 상호작용 측정을 바탕으로 Bio-AFM 분석법을 활용하여 DAN, protein chip 및 ELISA plate의 최적화를 위한 표면 분석에 이용하고 국내외 임상전문 연구 기관들과의 공동연구를 수행하여 국제적으로 고감응 바이오칩 분석을 상업화시킬 수 있는 기반조성을 확보한다. 이와 동시에 파생되는 지적재산권을 확대하여 경쟁 업체와의 기술 우위를 유지해 나간다. 또한 본 기술개발을 통해 특정 수용체와 그 수용체와 결합을 하는 리간드 (올리고-펩타이드) 사이의 상호작용을 연구하고 이로 인해 일련의 신호전달 네트워크의 이상으로 인해 유발되는 암, 당뇨, 치매 등과 같은 질병의 원인을 파악하고 치료방법 및 약물의 개발에 도움을 줄 수 있다.

본 연구실에 들어서는 순간 소도시 포항의 실험실이 아니라 국제적 수준의 연구와 교류가 활발히 이루어지는 현장과 만나게 될 것입니다. 관심있는 사람들의 방문과 문의를 환영합니다.