2020년 12월 과학기술인상, 동국대 김종필 교수 선정-세계 최초 생체내 세포 운명전환을 통한 파킨슨병 치료 기술 개발

2020년 12월 과학기술인상, 동국대 김종필 교수 선정-세계 최초 생체내 세포 운명전환을 통한 파킨슨병 치료 기술 개발

 

부서 과학기술안전기반팀

 

2020년 12월 과학기술인상, 동국대 김종필 교수 선정
-세계 최초 생체내 세포 운명전환을 통한 파킨슨병 치료 기술 개발-

□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 노정혜, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 12월 수상자로 동국대학교 화학과 김종필 교수를 선정했다고 밝혔다.

ㅇ ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만원을 수여한다.

□ 의과학의 발달로 ‘100세 시대’가 열렸지만, 고령화와 함께 파킨슨병·치매 등 퇴행성 뇌질환도 증가함에 따라 건강한 장수가 사회적 화두이다. 과기정통부와 연구재단은 김종필 교수가 몸속 일반세포를 신경세포로 바꾸는 세포 운명전환(Reprogramming)* 기술을 완성해 치매와 같은 난치병 치료와 재생의학 도약의 발판을 마련한 점을 높게 평가했다고 밝혔다.
* 리프로그래밍(re-programming): 태어날 당시 정해진 세포의 운명을 바꾸는 기술로 1세대 배아줄기세포 기술에서 출발해 성체, 역분화를 거쳐 현재 체내에서 직접 세포를 교차하는 4세대 기술이 개발되고 있다.

 

ㅇ 퇴행성 뇌질환은 환자의 존엄성과 가족의 삶을 동시에 무너뜨리는 질병으로 지역사회와 국가의 도움이 절실하다. 정부는 2017년 12월 전국에 256개 치매안심센터를 설치하는 등 치매국가책임제를 통한 정책적 뒷받침을 강구해왔다. 고장 난 신경세포를 되살릴 수는 없지만 여분의 체세포를 신경세포로 교체하는 길을 연 김종필 교수의 수상이 더욱 뜻깊은 이유이다.
ㅇ 비교적 쉽게 재생되는 피부세포와 달리 한 번 손상된 신경세포는 재생이 어렵다. 이에 모든 기관으로 분화가 가능한 줄기세포를 주입하는 치료법이 제시됐지만 줄기세포의 제한적 분화 능력 때문에 효과는 기대에 미치지 못했다. 또한, 대안으로 떠올랐던 역분화 줄기세포*는 암과 같은 종양을 유발하는 위험성이 높아 실제 치료에 적용하는 데 어려움이 따른다.
* 역분화 줄기세포 : 완전히 자란 체세포에 세포분화 관련 유전자를 지닌 조작된 유전자를 주입해 배아줄기세포처럼 세포 생성 초기의 만능세포 단계로 되돌린 세포

□ 이러한 상황에서 김종필 교수 연구팀은 최신 줄기세포 기술에 나노기술을 결합해 생체 내에서 세포의 운명전환 조절이 가능한 시스템을 확립하고, 이를 기반으로 차세대 세포 운명전환 원천기술을 완성하였다.

ㅇ 연구팀은 신경세포가 손상된 쥐에 금 나노입자를 투입하고 전자기파를 전달하는 실험을 통해 손상된 신경세포 주변의 세포가 신경세포로 바뀌고 파킨슨병 증상도 개선됨을 검증하였다.

ㅇ 관련 성과는 네이처 나노테크롤로지(Nature Nanotechnology, 2017년)에 게재됐으며, 연구팀은 후속연구를 통해 알츠하이머 뇌신경 세포에 적용하는 최신 유전자 편집치료 기술을 개발하는 등 실제 의료현장에 응용 가능한 기술개발에 매진하고 있다.

□ 김종필 교수는 “이번 연구는 기존 재생의학의 한계를 극복할 수 있는 생체 내 세포 운명전환 기술을 완성한 데 의의가 있다”라며, “후속연구를 통해 세포 재생기술을 선도하는 혁신적 세포치료기술 발전에 기여하고 싶다”고 수상소감을 밝혔다.
참고 1. '20년 12월수상자 주요 연구성과 설명
2. '20년 12월수상자 이력
3. '20년 12월수상자 인터뷰

참고1

'20년 12월수상자(김종필 교수) 주요 연구성과 설명

<세계 최초 나노융합기술을 활용한 생체내 세포운명전환을 통한 파킨슨병 치료 기술 개발>

 

ㅇ 줄기세포 기술과 전자기나노기술 융합을 통한 효율적 세포운명전환 기술 개발

전자기화된 금 나노입자를 이용하여 기능성이 우수한 도파민 신경세포를 제작하는 새로운 세포운명전환 기술을 개발하였다. 생체 세포에 투입된 금 나노입자에 전자에너지를 투입하여 생성된 도파민 신경세포는 도파민 신경 특이적 유전자 발현의 정량적 분석과 유세포 분석을 통해 우수한 세포전환 수단으로 활용될 수 있음을 증명하였다.

ㅇ 세포운명전환 기술을 통한 파킨슨병 치료기술 개발

전자기파 융합나노기술을 적용하여 생체내 세포를 도파민 신경세포로 전환시키는 기술을 파킨슨병 동물모델에 적용함으로써 도파민 신경세포의 생성, 도파민 분비량 증가, 행동학적 개선 등 파킨슨병 치료효과를 보였다.

참고2

'20년 12월수상자(김종필 교수) 이력

□ 인적사항

o 성명 : 김 종 필

o 소속 : 동국대학교

□ 주요 경력
o 2012. 3. ~ 현재 동국대학교 조교수, 부교수, 교수
o 2008. 3. ~ 2012. 2. 매사추세츠공과대학(MIT)
화이트헤드연구소(Whitehead Institute) 박사후연구원
□ 전문 분야
o 세포 재생 기술
o 유전자 편집 치료 기술
o 치매, 파킨슨병 및 정신질환 등 뇌질환에 대한 줄기세포 기반 치료기술

참고3

'20년 12월수상자(김종필 교수) 인터뷰

#2154년 미래 도시, 아픈 아이를 품에 안고 첨단 치료 기계를 찾아 목숨을 건 질주를 마친 여성이 마침내 치료 기계 안에 아이를 눕히자 `다발성 복합 골절’이란 병명이 자동으로 뜨면서 치료가 시작된다. 의사도 없지만, 순식간에 뼈가 아물고, 아이는 기적처럼 두발로 일어섰다.

맷 데이먼 주연 SF영화 `엘리시움`의 한 장면입니다. 사람이 첨단 치료 기계에 눕기만 해도 병이 진단되고 자동으로 치료까지 되는 꿈같은 이야기인데요. 하지만 몸속 세포를 신경세포로 바꾸는 세포 운명전환(Reprogramming) 원천기술을 통해 생명과학의 새로운 가능성을 보여준 김종필 교수에게는 더 이상 영화 속 이야기가 아닙니다. 바로 그가 실현하고자 하는 머지않은 미래의 모습입니다.

그는 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환 치료법을 찾기 위해 나노화학부터 줄기세포, 유전자 가위, 마우스 유전학 및 생명정보학에 이르는 다양한 분야를 융합적으로 접근하는 깨어있는 과학자가 되고자 합니다. 자신의 연구가 건강한‘100세 시대의 삶’을 실현하는데 도움이 되고 불치병, 난치병으로 고통받는 국민들에게 희망이 되길 소망하는 김종필 교수의 연구이야기를 소개합니다.

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 차세대 재생의료 분야에 전기를 마련한 연구성과가 대내외적으로 큰 인정을 받고 있습니다. 수상 소감 한 말씀 부탁드립니다.

- 많은 우수 연구자들 가운데 제가 본상을 수상하게 되어 정말 영광입니다. 이번 연구가 완성될 수 있도록 함께해주신 모든 분들께 감사드립니다. 사회적으로 난치질환 환자가 매년 증가하고 있지만, 이들 질환을 치료할 기술개발은 아직 시작단계입니다. 저의 연구 결과도 차세대 재생의료 현장에서 활용되려면 보다 많은 연구가 필요합니다. 본 상을 난치질환으로 고통받는 환자들이 하루빨리 수혜를 볼 수 있도록 더 열심히 하라는 뜻으로 받아들이고 더욱더 연구에 매진하겠습니다. 감사합니다.

o ‘세포 직접교차분화 리프로그래밍’ 기술을 비롯해 유전자 가위 나노컴플랙스, 난치병 치료를 위한 세포치료제 등 차세대 재생의료 발전을 이끌 다양한 연구성과를 보여주셨습니다. 교수님 연구의 중심 키워드는 무엇인가요?

- 제 연구주제를 설명할 때 영화 ‘엘리시움 (Elysium)’의 한 장면을 소개하곤 합니다. 장애가 있는 딸을 둔 부모가 생명을 건 모험 끝에 딸을 치료기계로 데려 가자 놀랍게도 딸이 10초 만에 완치되는 장면인데요. 아직까지는 영화 속에서나 가능한 이야기이지만, 제가 수행하는 연구도 이와 매우 유사하며 머지않은 미래에 현실이 되리라 기대합니다. 세포 리프로그래밍 및 유전자 편집기술은 차세대 재생의료 분야의 약방에 감초라 할 수 있습니다. 첨단 바이오 기술을 활용하여 현재의 의료기술로는 치료가 어려운 뇌질환을 치료할 수 있는 신 세포재생 치료기술을 개발하는 것이 저의 주요 연구테마이자 연구의 목표이기도 합니다.

o 과학자로서 관련 분야에 관심을 갖게 된 계기와 교수님만의 독창적인 연구영역을 개척해 오신 과정도 궁금합니다.

- 국내외에서 매년 난치 및 불치병 환자가 증가하고 있습니다. 세포운명전환 기술과 유전자 편집 기술은 첨단 재생의학의 한 분야로 현대 의료기술로 치료할 수 없는 질환 치료의 대안으로 조명받으며 빠른 속도로 발전하고 있습니다. 저 역시 미력하나마 질병으로 고통 받는 분들에게 도움이 되고자 관련 분야에 관심을 갖고 연구를 시작하였습니다. 나아가 세포운명전환 기술과 유전자 편집 기술은 첨단 재생의학 기술의 기반 기술로 다양한 분야와 응용이 용이합니다. 기술 선점 시 큰 파급효과가 기대되기에 세계적 경쟁도 치열합니다. 저는 나노화학분야부터 줄기세포, 유전자 가위, 마우스 유전학 및 생명정보학에 이르는 다양한 분야를 융합적으로 접근하는 방식으로 저의 연구 분야를 개척하고자 노력해 왔습니다.

o 세포 직접교차분화 리프로그래밍 기술은 독창적이고 진보적인 연구성과로 평가받고 있습니다. 주요성과와 관련 기술의 의의에 대해 소개해주세요.

- 세포 직접교차분화 리프로그래밍은 정말 매력적인 기술입니다. 기존 리프로그래밍 기술은 특정 계통으로 분화된 세포를 미분화 단계를 거쳐서 다른 계통으로 분화시켰습니다. 줄기세포의 장점을 살리고 자가세포로 면역거부반응 문제에서 자유롭지만, 공정이 조금이라도 잘못될 경우 미분화세포로 인한 위험을 초래할 수 있습니다. 반면 세포 직접교차분화 리프로그래밍은 미분화세포 단계를 거치지 않고 원하는 세포를 직접 제작하는 기술입니다. 특히 생체 내에서 세포 직접교차분화 리프로그래밍을 유도하면 보다 경제적이고 안전합니다. 이번 연구는 관련 기술을 기반으로 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환의 치료 효과를 확인하였다는 데 의의가 있습니다. 나아가 세포의 이식이 어려운 뇌에서 효과를 검증한 만큼 이식이 어려운 장기 치료의 새로운 치료 방향을 제시했다고 볼 수 있습니다.

o 또한 유전자 가위 나노컴플랙스를 제작해 알츠하이머(치매) 치료에 활용할 수 있는 신기술도 세계 최초로 개발하셨습니다. 관련 연구 성과도 소개해주세요.

- 세계적으로 유전자 돌연변이로 인한 알츠하이머 발병사례가 여럿 보고되었습니다. 우리 연구실에서는 알츠하이머를 일으키는 유전자 돌연변이를 제거할 수 있는 유전자 가위를 개발하였는데요. 이를 신체에 효과적으로 전달할 수단도 필요했습니다. 생체에 무해하면서 유전자 가위가 효과적으로 작용할 수 있도록 최적화 방안을 연구하면서 알츠하이머(치매) 치료용 유전자 가위 나노컴플렉스 기술을 개발하였습니다. 나아가 알츠하이머 질병모델 마우스를 대상으로 질병의 치료 유효성을 입증하였습니다. 이는 기존 치매치료에 활용된 바 없는 독창적인 연구로서, 기존 치매 치료기술의 부작용은 최소화하면서, 효과는 더욱 강력한 알츠하이머 치료제 개발에 새로운 방향을 제시하였다는 데 의의가 있습니다.

o 화학과에 적을 두고 다양한 생명공학 현상을 탐구하고 해법을 찾는 점도 이색적입니다.

- 저는 화학과에서 생화학을 가르치고 있습니다. 첨단 재생의학은 아직 초기 발전 단계로 기초 생화학 지식을 기반으로 다양한 응용 분야를 연구할 수 있는 심도 있는 지식과 고찰이 필요합니다. 세포 리프로그래밍 기술 및 유전자 편집 기술에 대한 학문적 배경을 이해하는 것도 중요합니다. 무엇보다도 첨단 재생의학 분야에 혁신적 연구 성과를 도출하기 위해서는 분야를 뛰어넘는 융합적 사고와 접근이 중요한데요. 저는 생명과학 전공자로서 화학과에 속해 개방적이며 융합적인 연구를 진행하고 있습니다.

o 퇴행성 뇌질환은 환자 개인은 물론, 가족과 사회의 고통분담이 따르는 만큼 국가적 관심이 중요합니다. 정부도 2017년 치매국가책임제를 도입하는 등 정책적 뒷받침을 강화하고 있는데요. 관련 분야 연구의 중요성과 미래 전망도 말씀해주세요.

- 고령층뿐만 아니라 젊은 세대에서도 퇴행성 뇌질환 환자가 해마다 증가하는 추세입니다. 오래전부터 관련 분야의 연구들이 꾸준히 진행되어 온 결과 퇴행성 뇌질환 관련 기전도 많이 보고되었습니다. 그러나, 아직 이를 근본적으로 치료할 수 있는 기술이 존재하지 않아 실제 치료에 많은 어려움을 겪고 있습니다. 유전적인 원인과 노화 등 다양한 원인이 복합적으로 작용하는 까닭인데, 세포 운명전환 기술과 유전자 가위 편집기술이 융합한 치료기술은 가장 이상적인 치료기술의 하나로 주목받고 있습니다. 앞으로 실질적인 퇴행성 뇌질환 치료가 가능한 기술 개발과 실용화 연구가 보다 활발해지기를 기대합니다.

o 지난 20여 년간 생명공학분야에 헌신해 오신 교수님의 다양한 연구성과들이 현대, 나아가 미래 우리 사회, 또 국민들의 삶에 어떠한 기여를 하길 기대하시나요?

- 요즘‘100세 시대가 왔다’라는 이야기를 자주 듣습니다. 실제 제 가까이에도 장수하시는 분들이 많이 있습니다. 그러나 100세 가까운 삶을 영위하시는 분들도 크고 작은 질환을 겪곤 합니다. 저는 오래도록 삶을 영위하는 것도 좋지만 무엇보다 중요한 것은 건강하게 사는 것이라고 생각합니다. 제가 수행하고 있는 연구들이 건강한‘100세 시대의 삶’을 실현하는 데 도움이 되고 현재 불치병, 난치병으로 고통 받는 국민들에게 희망이 되길 바랍니다.

o 생명공학 분야는 세계적으로도 경쟁이 치열합니다. 우리나라가 관련분야의 기술을 선도하기 위해서는 어떤 노력이 필요한가요?

- 현대 기술개발은 핵심 원천기술 선점을 위해 세계적으로 경쟁이 심화되고 있습니다. 하지만 연구개발은 많은 자본과 우수 인력이 필요합니다. 미국을 포함한 선진국의 경우 민간투자 규모와 범위가 넓기 때문에 상대적으로 강한 경쟁력을 가집니다. 반면 국내는 연구자의 질적 수준은 우수하지만 국가적인 투자에 기댈 수밖에 없는 실정으로 연구비 조달이 가장 어려운 문제입니다. 우수한 인력들이 국외로 유출되는 경우가 왕왕 있는 만큼 국가적으로는 정부의 지원 확대와 민간자본의 참여가 해답이 될 수 있다고 생각합니다. 저의 경우 국내외 저명 연구자들과 교류하며 학생들의 연구수준을 끌어올리는 데 힘쓰고, 원활한 연구수행을 위해 많은 국가연구과제에 참여하고자 노력하고 있습니다.

o 평소 생각하는 과학자의 삶과 자세에 대해서도 말씀해주세요.

- 과학자의 삶은 새로운 것을 찾거나 밝혀지지 않은 현상에 대해 끊임 공부하고 고찰하는 과정의 연속입니다. 새로운 현상을 연구하는 것은 무척이나 도전적인 일입니다. 깊게 고찰하고 심사숙고하여 연구를 시작해도 예상치 못한 난제에 막히는 경우가 많습니다. 따라서 어떤 난제에도 포기하지 않고 유연하게 생각하며 새로운 접근법을 통해 해결하려는 자세가 중요합니다. 또한, ‘아는 만큼 보인다’ 는 말이 있듯 전문분야를 포함하여 폭넓은 지식을 탐구하고, 새로운 지식과 기술을 적용한 첨단장비 활용을 익히면 다양한 분야와의 융합연구가 가능하고, 연구에 대한 고찰도 유연해집니다. 이러한 까닭에 연구자는 늘 새로운 것을 접하고 익히는 데 최선을 다하고 유연한 사고를 할 수 있도록 노력해야 합니다.

o 대학 연구실을 이끄는 스승으로서도 많은 역할을 해주셨습니다. 평소 연구자로서, 스승으로서 학생들 또는 연구실 구성원들에게 강조하는 내용은 무엇인가요?

- 회의나 토론을 할 때 적극적인 자세를 강조합니다. 물이 고이면 썩듯 아이디어나 생각 또한 같습니다. 아무리 좋은 아이디어라 하더라도 가다듬고 키우지 않으면 죽어버립니다. 때문에 회의나 토론에서 자유롭게 생각을 표현하는 방법을 가르칩니다. 저는 공자의 ‘아는 것을 안다고 하고, 모르는 것을 모른다고 하는 것이 곧 아는 것이다.’라는 말을 무척이나 좋아합니다. 지식이 쌓여감에 따라 연구의 깊이도 더욱 깊어집니다. 모든 것을 알 수는 없습니다. 때문에, 모르는 부분은 확실하게 모른다고 하고 아는 것은 확실하게 정리하도록 노력해야 합니다.

o 지금까지의 연구성과를 기반으로 앞으로 도전하고 싶은 목표는 무엇인가요?

- 세포 리프로그래밍 기술과 유전자 편집기술 분야에서 좋은 연구성과를 얻었지만, 아직은 초기 단계입니다. 이들 성과가 실질적인 치료기술 개발로 이어지도록 실용화 연구에 매진하여 건강한 100세 시대 구현에 도움이 되고 싶습니다.

o 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다.

- 연구라는 것은 스스로 배우는 과정입니다. 때문에, 외부에서 정해주는 틀에 갇혀서 경계를 두고 생각하기보다는 늘 ‘Why?’라는 의문을 품고 자신만의 자유로운 사고를 통해 해답을 찾는 과정이 정말 중요합니다. 이 과정이 고되고 느릴 수도 있는데, 작은 것부터 의문을 갖고 현상을 이해하려는 습관이 형성되면 연구에 큰 도움이 될 것입니다.