광주과학기술원 권인찬 교수님 연구실 (기능성단백질공학연구실)

연구실 개요

광주과학기술원 권인찬 교수 연구실(기능성단백질공학 연구실; Functional Protein Engineering Lab)은 다양한 단백질 공학 기법(비천연아미노산 도입, 단백질 설계, 분자진화 등)과 생접합 화학을 이용하여 의약용 단백질 및 효소를 개발하는 연구를 수행 중에 있다. 대표적인 연구 분야는 의약용 단백질인 통풍치료제와 당뇨치료제의 혈중 반감기 증대, 의약용 단백질의 체 내 서방출을 위한 약물전달기술, 효소고정화기술, 나노캐리어를 이용한 다중 촉매 전달 등이다. 연구 결과는 Journal of Controlled Release, Biomacromolecules 등의 국제 저널에 다수의 논문으로 게재되었고, 최근 의약용 단백질 기술 2건 (선급금 1억 2천만원) 기술이전 실적이 있다.

C1 가스 리파이너리 사업단에서는 울산과학기술원의 김용환 교수님과 함께 CO를 개미산으로 전환하는 효율적인 효소 공정 개발을 위해, 효소 탐색, 다중효소 고정화, 전자전달체 개발 등을 연구하고 있다.

주요 연구내용 소개

(1) CO를 개미산으로 전환하는 효소공정 개발

부생가스에 포함된 CO가스를 개미산으로 전환하는 반응은 열역학적으로 자발적인 반응이고, 반응 후에 질량이 증가한다는 장점이 있다. 생산된 개미산은 고분자 등을 생산하는 원료로 광범위하게 사용될 것으로 기대된다. 이러한 CO 가스의 개미산 전환을 가능하게 하는 효소가 자연계에 존재하지 않아서 효소 공학을 통해 구현하고자 한다. 연구 결과는 Scientific Reports (2017년)에 게재되었다.

(2) 위치선택적인 알부민 결합을 통해 의약용 단백질의 혈중 반감기 증대

의약용 단백질은 합성 의약에 비해 부작용이 적고 높은 치료 효능을 보인다는 장점이 있는 데, 혈중 반감기가 짧아서 치료제로 개발하는 데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 혈중 반감기가 아주 길고(3주), 독성이나 면역반응이 없는 인간알부민 단백질을 의약용 단백질에 결합하여 혈중 반감기를 크게 증대시켰다. 알부민 단백질이 무작위로 의약용 단백질에 결합하며 생길 수 있는 약효 감소를 막기 위해 의약용 단백질의 중요 부위를 피해서 알부민을 결합하는 위치선택적 결합 기술이 필요 해졌다. 이를 실현하기 위해 클릭화학 반응기를 가진 비천연아미노산을 의약용 단백질에 먼저 위치선택적으로 도입한 후에 알부민을 그 부위에만 결합하여 의약용 단백질의 활성 감소를 막으면서 혈중 반감기 증대를 실현할 수 있었다. 이러한 기술을 이용하여 통풍치료제인 요산분해효소(urate oxidase)와 당뇨치료제인 글루카곤 유사 펩타이드-1(GLP-1)의 혈중 반감기를 크게 증대시킬 수 있었다. 이러한 연구 결과는 Journal of Controlled Release (2015년), Biomacromolecules (2016년), Pharmaceutics (2020년)에 발표되었다.

(3) 지질체 결합을 통한 의약용 단백질의 혈중 반감기 증대

지질체는 인간알부민 단백질의 천연 리간드로서 크기가 작고 독성이 없어서 의약용 단백질에 결합하기에 용이하다. 지질체가 결합된 의약용 펩타이드 (insulin, GLP-1, 등)의 경우 환자에게 주사를 한 경우 환자 혈액의 알부민과 결합하여 혈중 반감기를 크게 증대시킨다는 연구결과가 있었다. 그런데, 펩타이드보다 크기가 큰 단백질의 경우 지질체의 결합으로 혈중 반감기 증대가 충분히 일어나지 않았기 때문에 이의 원인 및 해결방법에 대해 연구하였다. 연구결과는 Scientific Reports (2017년), Journal of Controlled Release (2013년, 2020년), Biomedicine (2020년)에 게재되었다.

(4) 알부민-리간드 상호작용을 이용하여 주사형 수화젤로부터 의약용 단백질의 체내 서방출

의약용 단백질의 혈중반감기를 극복하기 위한 다른 방법으로 약물을 체 내에서 서서히 방출시키는 약물전달체를 사용할 수 있다. 특히, 약물이 포함된 수용액 상태였다가 체 내에 주사가 되면 수화젤로 변화는 주사형 수화젤의 경우 최근 들어 많은 관심을 받고 있는 약물 전달체이다. 그런데, 의약용 단백질과 수화젤의 상호작용이 약하기 때문에 강한 알부민-리간드 상호작용을 수화젤에 도입하여 의약용 단백질의 체 내 방출 속도를 느리게 하여 오랫동안 약효를 가질 수 있도록 하였다. 이러한 연구 결과는 Journal of Controlled Release (2017년, 2020년)에 게재되었다.

(5) 요산분해효소와 금나노자임을 이용 통풍치료제 부작용 감소

요산분해효소로 통풍의 원인이 되는 요산을 분해하면 세포 독성이 있는 과산화수소가 발생하게 된다. 이러한 과산화수소를 카탈라아제(catalase) 활성을 가진 금나노입자를 이용해서 분해함으로써 독성을 감소하고자 했다. 체 내로 요산분해효소와 금나노입자를 동시에 전달하기 위해서 생체적합성이 높은 고분자 나노캐리어를 약물전달체로 사용하였다. 이 연구 결과는 Scientific Reports (2017년), Journal of Controlled Release (2019년)에 게재되었다.

대표 연구 성과

- Jinhwan Cho, Seong Han Kim, Byungseop Yang, Jae Min Jung, Inchan Kwon and Doo Sung Lee, Albumin affibody-outfitted injectable gel enabling extended release of urate oxidase-albumin conjugates for hyperuricemia treatment, Journal of Control Release (2020), 324, 532, DOI: 10.1016/j.jconrel.2020.05.037

- Jinhwan Cho, Junyong Park, Songwon Kim, Jong Chul Kim, Giyoong Tae, Mi Sun Jin and Inchan Kwon, Intramolecular distance in the conjugate of urate oxidase and fatty acid governs FcRn binding and serum half-life in vivo, Journal of Control Release (2020), 321, 49, DOI: 10.1016/j.jconrel.2020.01.034

- Abhishek Sahu, Inchan Kwon and Giyoong Tae, Improving cancer therapy through the nanomaterials-assisted alleviation of hypoxia, Biomaterials (2020), 228, 119578, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2019.119578

- Mijeong Bak, Junyong Park, Kiyoon Min, Jinhwan Cho, Jihyoun Seong, Yong S. Hahn, Giyoong Tae and Inchan Kwon, Recombinant peptide production platform coupled with site-specific albumin conjugation enables a convenient production of long-acting therapeutic peptide, Pharmaceutics, (2020), 12, 364, DOI: 10.3390/pharmaceutics12040364

- Seoungkyun Kim, Manse Kim, Secheon Jung, Kiyoon Kwon, Junyong Park, Sukhwan Kim, Inchan Kwon and Giyoong Tae, Co-delivery of therapeutic protein and catalase-mimic nanoparticle using a biocompatible nanocarrier for enhanced therapeutic effect, Journal of Control Release (2019), 309, 181, DOI: 10.1016/j.jconrel.2019.07.038

- Moon Soo Gil, Jinhwan Cho, Thavasyappan Thambi, V.H. Giang Phan, Inchan Kwon and Doo Sung Lee, Bioengineered robust hybrid hydrogels enrich the stability and efficacy of biological drugs, Journal of Control Release (2017), 267, 119, DOI: 10.1016/j.jconrel.2017.04.009

- Sung In Lim and Inchan Kwon, Bioconjugation of therapeutic proteins and enzymes using the expanded set of genetically encoded amino acids, Critical Review in Biotechnololgy (2016), 36, 803, DOI: 10.3109/07388551.2015.1048504

- Secheon Jung and Inchan Kwon, Expansion of bioorthogonal chemistries towards site-specific polymer-protein conjugation, Polymer Chemistry (2016), 7, 4584, DOI: 10.1039/C6PY00856A

- Byungseop Yang, Sung In Lim, Jong Chul Kim, Giyoong Tae and Inchan Kwon, Site-specific albumination as an alternative to PEGylation for the enhanced serum half-life in vivo, Biomacromolecules (2016), 17, 1811, DOI: 10.1021/acs.biomac.6b00238

- Sung In Lim, Young S. Hahn and Inchan Kwon, Site-specific albumination of a therapeutic protein with multi-subunit to prolong activity in vivo, Journal of Control Release (2015), 207, 93, DOI: 10.1016/j.jconrel.2015.04.004

연구실 구성원

권인찬 교수 연구실은 연구원 2명, 석박사 통합과정 3명, 박사과정 3명, 석사과정 5명으로 구성되어 있다. 주로 의약용 단백질의 혈중 반감기 증대 및 서방출 연구 및 효소공정 개발을 진행 중이다. 박사 졸업생 1명은 교수로, 박사 졸업생 2명과 석사 졸업생 4명은 바이오제약 및 화학회사에 근무하고 있다.