생명과학2 -생명 공학 기술과 인간생활
해당 교과 과목에서 심화 탐구주제로 유전자 재조합 관련 크리스퍼(유전자가위)를 중심으로 작성합니다.
교과 단원중에서 확장된 주제를 기준으로 자연스러운 보고서의 흐름을 표현해야만 세특 기재에 유리합니다.
위 단원에서의 핵심 키워드는 유전자 재조합, 생명공학, 난치병치료 입니다.
Tip : 교과세특을 준비하는 방법
교과세특은 나의 진로와 연결시키는것이 맞다? 아니다? 이 부분에서 대학별 입학사정관의 의견을 경기도 교육청의 자료에서 찾아볼 수있습니다.
내용을 직접 읽어보시고 어떤 느낌이 드시는지 확인해보세요
출처 : 대치 라포에듀 카페(https://cafe.naver.com/freedom0191)
각 학교별로 교과세특은 해당교과를 충실히 참여했는지가 중요하다. 인위적인 진로연결은 좋아보이지 않는다.
반드시 진로와 연결될 필요는 없다.
이 부분은 어쩔수 없는 원리원칙을 이야기하는 것입니다. 그렇다면 진로를 표현할 수 있는 항목은 창체의 진로부분이 유일한데 기재되는 내용도 한정적입니다.
매년 입시를 진행후 분석된 자료는 결국 학종은 진로를 표현해야 하고 자연스러워야 합니다.
입사관은 500자를 봅니다. 보고서를 보는것이 아닙니다.
학생의 또다른 스토리 전략이 필요한 이유입니다.
생명과학 – 유전자 가위+화학 약물, 암을 극복할까?
KAIST 장현정 박희성 교수팀은 나노 항암 신약 개발로 생체 내 전달 물제를 해결하였다고 발표함
기존 항암제보다 효과 월등하다는 실험결과
유전자 화학 약물기반 다양한 병용 치료제 개발에 기대
다음은 의협신문 기사내용 인용입니다.
암 극복을 위해 영구적인 유전자 조절을 일으키는 유전자가위(CRISPR·크리스퍼)가 대안으로 떠오르고 있지만 생체 내 전달 문제가 숙제로 남아 있는 가운데 크리스퍼 단백질과 화학 약물을 동시에 생체 내에 전달하는 나노복합체가 개발됐다.
KAIST 정현정(생명과학과)·박희성(화학과) 교수 연구팀이 유전자가위 기반 항암 신약으로 크리스퍼 단백질 및 화학 약물을 동시에 생체 내에 전달하는 나노복합체를 개발했다. 기존 항암제보다 월등한 항암 효능도 확인했다.
크리스퍼 기술은 표적 세포에서 정밀하고 영구적으로 유전자 교정을 일으킬 수 있어 기존 유전자 조절 방법에 비해 암 치료제로서 큰 장점이 있다. 하지만 크리스퍼의 구성 요소인 단백질과 가이드 RNA를 생체 내에 전달했을 때 극히 낮은 조직 투과성 및 세포 유입 효율로 인해 치료 효능이 떨어진다. 이런 한계점을 극복하기 위해 지질 나노입자, 고분자, 무기 나노입자 등 나노 전달체에 기반한 전달 방법이 개발됐으나, 여전히 효능이 떨어지고 심각한 독성 및 부작용 문제가 해결되지 않았다.
이런 문제점들을 극복하기 위해 연구팀은 크리스퍼 단백질 Cas9에 서로 다른 작용기가 간단히 결합되는 클릭 화학 작용기를 내재하기 위해 비천연 아미노산을 도입한 생직교 반응형 Cas9을 개발했다. 생직교 반응은 살아있는 시스템 내에서 본질적인 생화학 과정을 방해하지 않고 일어나는 반응이다.
출처 : 의협신문(http://www.doctorsnews.co.kr)
연구팀은 기존 나노 전달체의 독성 및 한계를 극복하기 위해 극미량의 고분자 물질을 생직교 반응형 Cas9에 결합시킴으로써, 생체 내 안전한 전달 및 유전자 교정이 가능하다는 것을 확인했다.
또 항암 신약으로써 효능을 극대화하기 위해 기존에 유방암 항암제로 사용되는 올라파리브(olaparib)을 생직교 반응에 의해 Cas9에 결합시킴으로써 병용 치료를 위한 유전자가위 나노복합체인 ‘콤바인'(ComBiNE·Combinatorial and bioorthogonal nano-editing complex)을 개발했다.
연구팀은 이 유전자교정 나노복합체를 이용해 유방암 세포 및 동물모델에서 DNA 복구에 관여하는 유전자 교정 및 올라파리브의 작용으로 기존 항암제 및 단독 치료제에 비해 월등한 항암효과를 확인했다.
이번 연구는 크리스퍼 단백질과 화학 항암제를 단일 제형으로 조합해, 안전하고 효과적인 생체 내 유전자 교정을 일으키고 높은 항암 효능을 보였다는 점에서 의의가 있다. 향후 다양한 암종에 대해 유전자 및 화학 약물 기반 병용 치료제로서 적용할 수 있는 강력한 플랫폼 기술로 활용될 것이라는 기대다.
KAIST 생명과학과 마셀 야니스 베하(Marcel Janis Beha) 박사, 임산해 석박사통합과정 학생, 김주찬 화학과 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 <어드밴스드 사이언스>(Advanced Science) 7월 23일 온라인판 게재됐다.
논문 제목은 ‘Bioorthogonal CRISPR/Cas9-Drug Conjugate: A Combinatorial Nanomedicine Platform’.
유전자가위 (크리스퍼) 의 이론정리
1973년 최초의 유전자가위 격인 플라스미드를 이용한 클로닝기법이 발표되었다. 세균끼리 유전자를 주고받을 때 사용하는 고리모양의 유전체인 플라스미드 중간에 흠집을 내고 거기에 원하는 유전자를 집어넣은 방식이 그것이다.
유전자가위는 그 정확성과 찾아서 자를 수 있는 염기서열의 수에 따라 분류된다.
1세대 유전자가위로 불리는 아연-손가락 핵산분해효소(Zinc-finger nuclease, ZFN)는 아프리카발톱개구리의 DNA에서 유래하였고 이것이 인식하는 염기는 열 개 내외이다.
따라서 원치 않는 곳을 잘라낼 가능성이 있다. 2세대 유전자가위는 탈렌(Transcription Activator-like Effector Nuclease, TALEN) 단백질이고 식물 병원균에서 발생하였다. 탈렌은 약 15개 정도의 염기서열을 인식할 수 있다.
그러나 여전히 복잡하고 효율도 그리 높지 않았다. 3세대 유전자가위로 각광받는 크리스퍼 유전자가위는 가벼울 뿐만 아니라 엄청난 정확성을 겸비한 RNA 단백질이다.
크기가 작으면서도 인식할 수 있는 염기서열의 숫자가 충분하다는 데에 큰 매력이 있다. 크리스퍼는 세균과 고세균에 존재하는 유전체의 특정한 염기서열을 의미한다.
그 유전자 샌드위치 주변에 비슷한 아미노산을 가진 단백질이 존재하는데 그것이 카스(Cas, CRISPR-associated)라는 단백질 군이다. CRISPR/Cas가 왜 DNA를 자르는지는 좀더 시간이 지난 후에 밝혀지는데, 세균이 바이러스가 침입하는 것을 막기 위한 면역계의 역할을 한다고 알려졌다.
즉, 처절한 생물계의 전쟁을 통하여 크리스퍼 유전자가위가 만들어진 것이다. 그러니까 크리스퍼 유전자가위는 인류가 새로 만든 것이 아니고 세균에서 이미 만들어져 있던 것을 인류가 발견하여 우리 인간의 생활과 건강에 유리하게 작용하게 만들 수 있다는 것이다.
- 출처 : 대한의학회 학회지(2018-2-No91)
유전자 가위(크리스퍼)의 현재 치료결과
출처 : 인텔리아 홈페이지
미국 생명공학기업 인텔리아는 크리스퍼를 혈액에 주입해 희귀 유전질환 증상을 완화하는 데 성공했다는 내용의 1상 연구 결과 일부를 16일(현지시간) 독일 베를린에서 열린 ‘브레디키닌 심포지엄 2022’에서 공개했다고 같은날 사이언스가 보도했다.
크리스퍼는 유전자의 특정 부위를 절단해 유전체를 교정할 수 있는 효소를 말한다. 한 번 정해지면 바꿀 수 없다고 여겨지던 유전질환을 치료할 수 있는 방법으로 주목받고 있다.
2020년 크리스퍼를 개발한 두 여성과학자가 노벨 화학상을 수상하기도 했다.
그간 크리스퍼는 환자의 세포를 채취해 실험실에서 편집한 뒤 다시 체내에 주입하는 간접적 방식으로 활용돼 왔다. 정맥주사를 통해 체내의 특정 장기나 세포에 크리스퍼를 보내기 어려웠기 때문이다.
연구팀은 크리스퍼를 지질 나노입자로 감싸 환자의 혈류에 직접 주입해도 크리스퍼가 필요한 위치까지 안정적으로 전달될 수 있도록 했다.
인텔리아는 유전성 혈관부종 환자를 대상으로 임상 1상을 진행했다. 유전성 혈관부종은 ‘C1에스터레이스’ 억제제 단백질의 돌연변이로 발생한다.
이 단백질은 혈관의 투과성을 증가시키는 호르몬 ‘브래디키닌’의 활성에 관여하는 것으로 알려졌다. 이 질환을 앓는 사람들은 브래디키닌 수치가 높아지며 사지와 복부, 목이 심하게 붓고 심각하면 질식사할 위험도 있다.
연구팀은 크리스퍼로 브래디키닌 수치를 높이는 단백질(칼리크레인)이 발현되지 않도록 관련 유전자를 제거했다.
이날 발표를 맡은 힐러리 롱허스트 뉴질랜드 오클랜드대 교수는 “환자 3명의 칼리크레인 수치가 8주 만에 평균 65% 감소했다”며 “한 달에 1~3번 부종이 나타나던 환자 2명은 증상이 멈췄고, 한 달에 최대 7번 부종을 겪던 환자도 10주가 지나 증상이 멈췄다”고 말했다.
이 결과는 유전자를 편집하기 위해 직접 크리스퍼를 전달한 두 번째 사례다.
지난해 인텔리아는 ATTR 아밀로이드증이라는 희귀 유전질환을 가진 환자에게 크리스퍼를 주입해 아밀로이드 축적으로 생기는 신경통, 저림 등 증상을 완화시켰다고 보도한 바 있다.
다만 환자들의 증상이 최종적으로 개선됐는지 여부는 아직 알려지지 않았다.
롱허스트 교수는 “이번 결과로 생체 내 크리스퍼를 주입해 얻은 효과가 요행이 아니라 재현될 수 있다는 것을 증명했다”며 “환자들은 이 크리스퍼 치료법이 인생을 변화시켰다고 말한다”고 전했다.
요약 : 유전자가위의 기술은 현재 실현단계까지 진행되고 결과물이 나오고 있습니다. 그렇다면 미래의 유전자 가위 기술은 어디까지 발전할 수 있을까요?
미래의 모든 과학은 결국 인공지능(AI)로 결론이 날 것 같습니다.
동아사이언스의 2018년 01.30일 자료입니다.
유전자가위 크리스퍼, 인공지능과 결합하다
국내연구진이 유전자 교정(Genome Editing)에 필수적으로 쓰이는 유전자가위 효과를 예측하는 인공지능을 개발했다.
윤성로 서울대 전기정보공학부 교수와 김형범 연세대 의대 교수팀은 AI를 활용해 유전자가위의 효율을 예측하는 기술을 세계 최초로 개발해 생명과학 분야 국제학술지 네이처 바이오테크놀로지 29일자(현지 시간)에 발표했다.
크리스퍼는 질병을 일으키는 유전자 부위 등 목표 유전자를 스스로 찾아 잘라서 유전자를 교정하는 기술이다.
유전자 가위는 절단이 잘 일어나는 최적의 DNA 부위를 얼마나 잘 찾느냐에 따라 효율이 크게 달라진다. 기존에는 효율이 높은 부위를 찾기 위해 크리스퍼를 일일이 제작해야 해 시간과 비용이 많이 들었다.
유전자 가위의 효율예측 알고리즘(DeepCpf1) 도식화 – 네이처 바이오테크놀로지 제공
연구팀은 최신 유전자 가위인 크리스퍼-Cpf1의 효율을 예측할 수 있는 AI를 세계 최초로 개발했다.
김형범 교수는 입력되는 다양한 형태의 방대한 데이터를 스스로 학습하고 그 속에서 일정한 규칙성을 찾아 제시할 수 있는 딥 러닝 기술을 가진 인공지능이 대안이 될 수 있을 것이라 생각하고 윤성로 교수와 공동 연구를 추진했다.
김 교수는 1만5000개에 달하는 각기 다른 가이드RNA를 가진 ‘크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cpf1)’의 유전자교정 효과 정보를 내놨다.
윤 교수는 이 정보를 자체적으로 개발한 인공지능 딥러닝 기술로 다양한 조건 속에서 최적이 유전자 교정 효과율을 낼 수 있는 크리스퍼 유전자가위를 높은 순부터 제시하도록 했다.
1만9000여 개의 인간 유전자를 크리스퍼로 절단하는 실험을 통해 부위별 절단 효율 데이터 6만7000여 개를 확보한 뒤 이 데이터를 둘로 나눠 딥러닝 AI로 표적 부위별 염기서열과 염색질의 구조, 유전자 가위의 효율 사이의 관계를 집중 학습했다. 이 방식은 기존 방식보다 정확도가 25% 향상된 것으로 나타났다.
윤 교수는 “복잡한 데이터를 잘 찾는 AI의 장점을 유전자 가위에 결합하자는 아이디어에서 연구를 시작했다”며 “유전체 교정 연구 속도를 높여 차세대 산업의 경쟁력을 높이겠다”고 말했다.
보고서 정리
이번 내용은 의학생명, 생명과학, 생명공학을 준비하는 수험생과, 컴퓨터공학, 인공지능을 준비하는 공대에 모두 적용가능한 콘텐츠입니다.
의대를 준비한다고 생명화학에만 국한되면 안되며, 반대로 공대를 준비하는 수험생은 더 확장된 주제로 인공지능과 결합되는 분야를 찾아서 진행하는것이 올바른 세특전략입니다.
이번 콘텐츠는 생명과학2 과목에서 유전자관련 챕터의 확장된 개념으로 모두 알고있는 크리스퍼 이론에 대해서 적용해봤습니다.
이미 많은 학생들이 사용한 콘텐츠이며, 그러나 현재도 발전하고 있는 점을 감안하여, 의협신문, 기술원 홈페이지등을 꾸준히 방문하여 업데이트 되는 최신 기사를 보고 콘텐츠 방향을 정하도록 준비하세요
자료링크
https://www.medicaltimes.com/Main/News/NewsView.html?ID=1116558
