고분자　Vol.63　No.6
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특집
고분자로 만드는 “생명체”
전망
인공세포의 설계와 구축 이치하시 노리카즈, 요모 테츠야
<Abstract> 천연 세포가 갖는 기능을 시험관 내에서 재구성하려는 다양한 시도를 통해서 지금까지와는 다른 각도에서 생물을 이해할 수 있으며, 이를 토대로 새로운 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 본 원고에서는 이와 관련하여 지금까지 이루어진 다양한 시도를 소개하고, 천연 세포와 동등한 기능을 갖는 인공 세포의 설계가 실질적으로 가능한지, 아직 파악되지 않은 중요한 지식에는 어떠한 것들이 있는지를 살펴본다.
키워드: Design / Construction / Artificial Cell
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무세포 단백질 합성계 마츠바야시 히데아키, 우에다 다쿠야
<Abstract> 무세포 단백질 합성계는 번역기구의 해석 및 단백질 제조를 위한 도구로써 이용되고 있으며, 최근에는 인공 세포 모델의 구축 등을 위한 합성 생물학의 기반 기술로도 응용되고 있다. 본 원고에서는 재구축형 무세포 단백질 합성계로서 필자들이 개발 및 개량해 온 PURE system을 중심으로 무세포 단백질 합성계의 개요와 전망을 소개한다.
키워드: Cell-Free System / Translation / PURE System / Protein Maturation / Unnatural Amino Acids / Ribosome Display
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자가 증식하는 인공세포의 화학적 구축 스가와라 다다시, 스즈키 겐타로
<Abstract> 거대한 베시클의 내부에서 효소 반응을 이용하여 DNA를 증폭시키면서, 동시에 외부에서 베시클의 막을 구성하는 분자의 전구체를 첨가하면, 베시클의 크기가 점점 더 커져서 결국에는 베시클이 분열하게 되는 베시클형 인공 세포가 구축되었다. 본 원고에서는 베시클 내에서 어떻게 DNA의 복제가 가능한지를 분자 시스템의 관점에서 설명한다.
키워드: Giant Vesicle / Artificial Cell / DNA Amplification / Self-reproduction / Vesicular Transport
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토픽
인공 RNA를 이용한 정보와 구조의 변환 사이토 히로히데
<Abstract> 생체 분자와 생물학적 시스템을 인위적으로 구축하는 과정을 통해 생명의 신비를 이해하고 이를 바탕으로 신규 기술을 개발하는 연구 분야로서, 합성 생물학은 최근 전 세계적으로 주목을 받고 있다. 살아있는 세포의 기능을 자유롭게 제어할 수 있는 인공 생체분자를 생성하여 이를 실험 및 임상에 이용하는 것은 이 분야의 중요한 연구 목표 중 하나이다. 본 연구진은 이러한 목표를 달성하기 위해 독특한 합성 RNA 기술을 이용하였다. 한 예로, 특정한 포유동물의 세포에서 원하는 유전자의 번역을 제어할 수 있는 "합성 RNA 스위치"의 개발에 성공했다. 또한, 본 연구진은 단백질 반응형 RNA 번역 ON/OFF 스위치를 사용하여 세포의 운명을 조절하는 방법을 개발해왔다. 더 나아가, 합성 RNA-단백질 복합체(RNP)를 이용하여 세계최초로 나노 구조를 설계 및 구축하는 데 성공하였다. 이와 같은 나노 구조체는 나노의약과 생체공학 분야에 그 응용이 기대된다.
키워드: RNA / Synthetic Biology / Translation / RNP / Nanotechnology / Human Health Care
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세포 수준의 비평형계에서의 자기질서화: 자율운동과 자율진동반응 다키노우에 마사히로
<Abstract> 세포의 미묘한 움직임, 세포 분열, 동물 표면의 패턴 형성, 심장의 박동, 24시간 주기 리듬과 같이 놀라울 정도로 자기 조직화된 동적 현상을 자연의 생명체에서 발견할 수 있다. 놀랍게도 모든 동적 현상은 자율적인 분자 반응을 통해서 실현된다. 일반적으로 이러한 현상은 시스템의 안팎으로 물질과 에너지의 유입과 방출을 유지하는 비평형 개방성 시스템에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 최근 몇 년 동안 개발된 인공 세포와 분자 로봇과 같이 자율적이고 역동적인 분자 시스템은 생명체의 비평형 자기 조직화 현상을 모방해왔다. 이러한 분자 시스템을 이용하여, 생명체의 동적 특성에 대한 이해를 심화할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 높은 기능성을 갖는 마이크로/나노 수준의 분자 기기를 구축할 수 있다. 본 원고에서는 두 개의 세포 크기에서 발생하는 비평형 자기 조직화 현상(1. 세포 크기 물체의 자율적인 운동, 2. 세포 크기 반응계에서의 자발적인 화학적 진동)을 소개한다. 이러한 기초 연구결과는 더욱 복잡하고 고도로 기능화된 분자 시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
키워드: Artificial cell / Nonequilibrium / Self-Organization / Molecular Robot / Water-in-Oil Microdroplet
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In vitro 미소혈관 모델: 생체 조직구조의 설계 마츠나가 유키코
<Abstract> 종래의 임상전 약물 평가 모델은 이차원 배양 시스템과 생체 시스템 간의 유사성의 결여 및 동물 모델과 인간 모델 간의 차이라는 한계점을 갖고 있다. 마이크로 기술은 생체조직의 마이크로 환경의 화학적, 기계적 특성을 모방하는 데 있어서 매우 유용한 기술이다. 약물 반응뿐만 아니라, in vivo 특성을 정확하게 반영하는 in vitro 모델을 확립하기 위해서, 최근 organ-on-chips라는 개념이 제안되었다. 본 원고에서는 in vitro 조직 모델과 organ-on-chips의 중요성을 설명하고, 염증, 신진대사 및 재생과 같이 다양한 장기(organ) 및 조직(tissue)에서 발생하는 현상과 밀접하게 연관된 in vitro 미소혈관 모델의 필요성에 대해서 설명한다.
키워드: Tissue Engineering / Microfabrication / Microvasculature / Collagen Gel
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아미노산의 종류는 왜 20가지인가? 아미쿠라 가즈아키, 기가 다이스케
<Abstract> 원시적인 유전자 코드는 20가지보다 적은 수의 아미노산을 발현했다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 즉, 원시적인 유전자 코드에 의해서 발현되는 아미노산만을 포함하는 단순화된 단백질을 이용하여 원시적인 세포에서의 생화학적인 현상은 이루어졌다. 본 연구진은 이와 같은 단순화된 단백질을 이용한 생화학적 시스템을 구축할 수 있는지에 대한 의문을 갖게 되었다. 본 원고에서는 이러한 의문에 대한 해답의 실마리를 제공하기 위해서 본 연구진이 수행한 연구 결과를 소개한다. 또한, 유전자 코드와 아미노산의 종류에 관한 선행 연구의 예를 소개한다. 단순화된 유전자 코드의 구축을 위한 본 연구진의 최근 연구에서는 새로운 유전자 코드에 의해서 발현하는 아미노산의 수를 줄이기 위해서 아미노산을 지정하는 일부 코돈이 알라닌 또는 세린으로 재할당되었다. 단순화된 유전자 코드를 이용하여 효과적으로 단순화된 단백질을 합성할 수 있을 것으로 기대된다.（A. Kawahara-Kobayashi, et al., Nucl. Acids Res, （2012）, K. Amikura, et al., RSC advances, （2013））.
키워드: Amino Acids / Genetic Code / tRNA / Protein / Evolution / Engineering / Origin of Life
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유전정보의 확장과 그 응용기술 히라오 이치로, 기모토 미치코, 마츠나가 겐이치로
<Abstract> 인공적인 염기쌍 시스템을 이용한 유전자 알파벳의 확장은 새로운 생명공학을 위한 강력한 플랫폼을 제공할 수 있다. 최근 본 연구진은 세 번째 종류의 새로운 염기쌍으로서 높은 정확도로 복제될 수 있는 인공적인 염기쌍을 개발하여, 진화공학적인 기술에 응용하였다. 그 결과, 본 연구진은 높은 친화성을 나타내는 인공 DNA 압타머를 생성하는 데 성공하였다. 이를 통해서 인공적인 염기가 핵산의 기능성을 확대할 수 있다는 것을 확인하였다.
키워드: Unnatural Base Pair / Genetic Alphabet Expansion / PCR / DNA Aptamer
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성장하는 고분자
나의 머릿속 서랍 김 선남
<Abstract> 새로운 아이디어와 자신만의 기술이 있을 때, 우리는 새로운 과학 기술을 개발할 수 있다. 더 나은 삶을 위해서 불편함을 해결하는 과정에서 새로운 아이디어가 나온다. 자기 자신만의 기술을 개발하기 위해서 우리는 특수한 훈련과 지식을 갖고 노력을 해야 한다. 또한, 관련 분야의 전문가와의 교류도 이 과정에서 많은 도움이 된다.
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고분자과학의 최전선
특수한 구조를 갖는 금속 클러스터: 서브 나노 영역에서 보이는 독특한 구조와 특성 고니시 가츠아키
<Abstract> 정해진 개수의 금속원자로 이루어진 나노 미터 이하의 크기를 갖는 금속 클러스터는 분자와 유사한 특성에 의해서 발현되는 독특한 광학적 특성(전자 흡수/발광)과 관련하여 최근 주목을 받고 있다. 본 원고에서는 X-선 결정학을 이용한 초소형 금 클러스터와 은 클러스터의 구조 결정에 관한 최근 연구결과를 소개한다. 그 한 예로 치올레이트로 수식된 Ag44 클러스터의 결정 구조를 살펴본다. Ag44 클러스터는 Keplerate형 이중 구조를 갖는 은의 코어로 이루어져 있으며, 비슷한 원자 수로 구성된 금 클러스터와는 현저하게 다른 성질을 나타낸다. 디포스핀이 배위되고 core＋exo 구조를 갖는 비구형의 금 클러스터가 나타내는 독특한 광학적 특성을 소개한다. 종래의 구형 클러스터와 달리, 이와 같은 금속 클러스터는 단절된 가시광을 흡수하는 밴드를 나타낸다. 이 현상은 금속 원자가 더해짐에 따라서 클러스터의 전자 구조가 극적으로 변화한다는 것을 의미한다.
키워드: Metal Cluster / Gold / Silver / Crystal Structure / Optical Properties / Geometry
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