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| 냉동인간, 살아날 수 있나?(Can frozen men revive?) | |||
| 작성자 | 대외협력과 | 작성일 | 2014-03-03 |
| 조회수 | 3243 | ||
| 냉동인간, 살아날 수 있나?(Can frozen men revive?) | |||||
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대외협력과 |  |
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부경대학교 김학준 교수(46세·화학과)를 만났다. 김 교수는 현재 국내에서 ‘냉동인간 부활’이라는 주제에 가장 근접한 연구를 추진하고 있는 과학자다. 그는 자신의 연구가 희화화되는 일을 경계하면서도, 생체동결과 성공적인 해동이라는 자신의 독보적인 연구 영역에 강한 의지와 자신감을 가지고 있었다. 김학준 교수, 생체동결과 해동분야 연구 선두주자 특히 생체동결 분야에서는 동결보다 해동이 더 큰 난제다. 동결 후 해동할 때 세포막이 손상된다는 점이 문제다. 해동과정에서 얼음이 뭉쳐져 커지는 얼음 재결정화 현상으로 세포가 파괴되는 것이다. 얼릴 때, 그리고 해동할 때 얼음 결정이 커지는 것을 막아주는 새로운 동결보존제의 개발, 그것이 생체 동결 연구 분야의 핵심과제다. 그런데 그 물질이 있다. 바로 결빙방지단백질이다. 과연 이것이 무엇일까? 김 교수의 안내로 흥미진진한 생체동결의 세계로 가 보자. 다 아시겠지만, 섭씨 0도 이하로 온도가 내려가면 액체 상태의 물은 얼음으로 서서히 변해간다. 얼음은 같은 물이지만 액체상태의 물과는 달리 생명체에 치명적인 손상을 주어서 생명체를 죽음에 이르게 한다. 바닷물고기의 경우를 보자. 바닷물의 온도가 어는 점 아래로 내려가면 눈에는 보이지 않지만 아주 작은 얼음 결정들이 물고기의 혈액이나 체액 내에 생기기 시작한다. 이 작은 얼음 알갱이들을 방치할 경우 순식간에 커다란 얼음 덩어리로 성장해 혈액이나 체액을 얼어붙게 만들어 대사기능이 마비되고 물고기는 죽고 말 것이다. 남극 북극에 사는 물고기는 왜 얼지 않을까? 김 교수에 따르면, 극지에 사는 물고기들은 얼음을 다루는 수단으로, 얼음과 공존하는 수단으로 특수단백질인 결빙방지단백질을 생산해낸다. 이 특별한 단백질은 조그만 얼음 결정이 성장하기 전에 얼음 결정과 결합하여 얼음이 더 이상 커지지 못하도록 하는 능력을 가지고 있다. 김 교수는 “결빙방지단백질은 얼음 결정 표면의 물 분자와 화학적 결합을 통해 다른 액체 상태의 물 분자가 더 이상 고체 상태의 물 분자와 결합하지 못하도록 해 얼음의 성장을 막는다.”고 말했다. 그러니까 결빙방지단백질을 첨가해서 세포를 얼리거나 녹일 경우 얼음의 성장 자체를 억제하여 세포가 입을 물리적 손상을 최소화함으로써 세포의 생존을 도울 수 있다는 것이다. 빙고! 이 대목에서 당신의 머릿속에 냉동인간이 퍼뜩 스칠 것이다. 냉동고에서 스르르 일어나 뚜벅뚜벅 걸어 나오는! 그러나 조금만 더 침착하자. 세계 3대 과학저널 SCIENCE에 논문 실었다 그의 논문은 세계 3대 과학저널의 하나인 「SCIENCE」2009년 6월호에 실렸다. 논문 제목은 ‘핵자기공명분광법에 의한 디아실글리세롤 인산 전이효소의 생체막 단백질 구조 규명’. 이 연구는 줄기세포, 제대혈, 생식세포, 혈액 등 차세대 고부가가치 바이오산업 소재의 효율적 동결보존을 위한 연구의 서막을 올린 신호탄이었다. 그는 결빙방지단백질을 생산하는 극지 미세조류에 대한 특허를 등록한 데 이어 결빙방지단백질과 이를 대량생산할 수 있는 벡터생산시스템에 대한 특허도 출원하는 등 이 분야에서 세계적인 연구 성과를 잇달아 내놓았다. 김 교수는 2010년부터 2012년 사이 ‘극지유래 결빙방지단백질을 활용한 고부가가치 생물자원 보존 시스템개발’이라는 연구 프로젝트의 1단계 사업을 주도했다. 이 연구는 국가문제해결형 연구사업(NAP : National Agenda Project)으로 추진됐다. 한국기초과학지원연구원, 메디포스트, 휴림바이오셀, 건국대, 가천의과학대 등이 참여했다. 연구팀은 매우 흥미롭고도 주목할 만한 성과를 올렸다. 생물을 냉동 보관하는 데 필수적인 결빙방지단백질을 유전자를 재조합하는 기술을 이용해 대량으로 생산하는 기술을 개발했다. 결빙방지단백질의 특성상 그동안 많은 양을 생산하지 못하던 한계가 있었다. 그리고 연구팀은 얼린 뒤 다시 해동해 살리는 확률을 크게 높이는 데도 성공했다. 결빙방지단백질을 활용해 사람의 혈액과 줄기세포를 얼렸다 다시 녹여서 살리는 생존율을 종전 85%에서 95%까지 높였다. 김 교수가 이끈 연구팀은 남극 해빙과 북극 호수에서 세계 처음으로 결빙방지단백질을 찾아냈다. 특히 북극에서 자라는 효모에서 결빙방지단백질을 찾아내고 이를 대량 배양해 생산하는 데 성공했다. 적혈구 생존율도 높였다. 영하 80∼196도의 극저온에서 얼렸다 녹이면 대부분 손상을 입는데 결빙방지단백질을 이용해 생존율을 높이는 기술을 개발했다.
혈액 보관의 경우를 보자. 혈액은 적혈구를 분리해 영상 4도에서 보관하는데 40일이 지나면 폐기처분해야한다. 냉동보관 기술이 필요한 것이다. 장기 이식 수술도 마찬가지. 이식할 장기는 영상 4도에서 냉장 보존하는데 조직 손상 우려가 많다. 0도에서 보관해야하지만 세포조직이 망가져 못쓰는 것이다. 그런데 결빙방지단백질을 이용하면 조직의 손상 없이 0도에서 보관하는 효과를 볼 수 있다는 것이다. 김 교수는 “식품산업에서 단연 높은 비중을 차지하는 것은 아이스크림이다. 아이스크림 먹다 남은 아이스크림을 다시 냉동실에 넣으면 맛이 달라지는데 결빙방지단백질을 첨가하면 물에 의해 얼음이 생성되는 것이 방지되기 때문에 신선한 맛을 오래 유지할 수 있다.”고 말했다. 추운 날씨로부터 피부 보호를 위해 결빙방지단백질이 첨가된 동상 방지용 기능성 화장품이 판매되고 있다. 농업분야에서는 결빙방지 유전자를 활용해 내한성이 증가된 형질전환 작물을 개발하고 있다고 한다. 250조원 규모 줄기세포 및 제대혈 시장에 도전한다 줄기세포 및 제대혈과 관련된 세계 시장 규모는 2015년에 최소 250조원으로 이를 정도로 어마어마하다. 김 교수는 “줄기세포는 일반적으로 잘 확립된 세포주들과 달리 동결보존의 효율이 높지 않고 해동 후에 쉽게 죽거나 불특정 세포로 분화하는 경향을 보이므로 동결보존 후에도 본래 세포의 특성을 완벽하게 보전하는 것이 요구된다.”면서, “고부가가치의 줄기세포, 제대혈 등의 동결보존에 결빙방지단백질이 기존 동결보존제의 대체제나 보완제로 사용된다면 그 파급효과는 매우 클 것.”이라고 말했다. 그는 현재 분당서울대병원과 공동으로 난자와 난소 조직 동결보존 관련 국책연구를 수행 중이다. 암환자의 경우 난자를 떼어 동결보존 했다가 나중에 이를 다시 활용할 수 있게 하는 연구다. 줄기세포를 뽑는 제대혈을 장기적으로 잘 보관할 수 있는 방안에 대한 연구도 서울 보라매병원 공여제대혈은행(은행장 윤종현 서울대 의대 교수)과 공동으로 추진 중이다. 눈치 챘겠지만, 가장 중요한 과제는 저렴한 가격으로 결빙방지단백질을 많이 확보하는 것이다. 생물체내에서 합성되는 단백질의 양이 적고 이를 농축하고 정제하는 일은 비용과 노동력 면에서 비효율적이다. 김 교수는 “현재 결빙방지 단백질을 상업화한 세계 유일의 A/F Protein이라는 회사는 결빙방지단백질들을 엄청난 양의 물고기에서 뽑아내기 때문에 1그램당 무려 1,200만원이라는 고가에 판매하고 있다.”고 말했다. 이것이 결빙방지 단백질이 상용화되지 못하고 있는 이유다. 그래서 김 교수의 연구목표는 결빙방지 단백질을 기반으로 한 고효율 동결보존시스템을 개발하는 것이다. 1그램에 3∼4만 원 대로 가격경쟁력을 갖춘 다종의 고활성 극지유래 결빙방지 단백질을 생산하고 세포나 조직별로 맞춤화한 동결보존 프로토콜을 확립하는 것이 그의 목표다. 결빙방지단백질이란? 김학준 교수는 누구? Is the frozen man in the movie real? Since a man was frozen in USA in 1967 as the first, there have been more than 100 frozen bodies waiting revival through high-improved science. Can they be alive safely?
We visited Kim Hak-Jun (46 years old, department of chemistry) who is proceeding researches about the most similar subject with ’revival of frozen man’ in Korea.
He is careful about being travesty of his study, but he also has a strong will and confidence about his study area of freezing body and successful unfreezing.
The reason why a life is dead from freezing is cell destruction from that expanding of ice crystals on inside and outside of the frozen cells push the cells and tear it.
In addition, unfreezing is more complicated problem than freezing in freezing body field. When the unfreezing is on progress, it can hurt cell membrane. In the progress, recrystallization of the ice which means that he crystals crumple into big ice can destroy the cells.
Inventing a new deep-freezing material to prevent making the crystals larger is the core task of the study of freezing body.
However, the material has been found. It is anti-freezing protein. Then, what is the protein? Let’s see the interesting freezing body’s world with professor Kim.
As everyone knows, liquid state of water will slowly change into ice when the temperature is below zero. Ice is also a different type of water, but it cause critical damage to lives, so it brings to them death.
Let’s check the case of fishes in the sea. If the temperature of sea is below zero, invisible small ice crystals are formed in the fishes’ blood and body fluid. If they just leave this small ices in their body, these are going to crumple as big ice, and that makes the fishes dead because of stopping function of metabolism by freezing its blood and body fluid.
Then, how fishes in the North and South poles can live in the cold water? They would have their special survival skills.
Professor Kim said that fishes in there make anti-freezing protein which makes them coexist with ice. This protein has effect to stop ice crumpling into big one at small ice crystal stage.
"The anti-freezing protein stops growth of ice through interrupting combination of fluid watermolecule and solid watermolecule through chemical incorporation with watermolecule on the surface of ice crystal," he said.
Therefore, if we freeze or unfreeze bodies adding with the protein, it can help survival of cells by minimizing physical damage through interruption for ice growth. Bingo!
Now, you can see the frozen man walking through your imagination. It is coming to you from freezer, but we need to have a look more.
We need to have a look about the professor’s research first. He is the one who firstly started the research about freezing and unfreezing lives with the protein. He shows the best result of researches about the subject in domestic.
His thesis posted on 「SCIENCE」in June 2009 which is top three science journals in the world. The subject is ’The Investigation of Phosphotransferase’s Bìomémbrane Protein Structure by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy’. This research was the first step of effective freeze preservation of high-value ingredient of next generation for bio business such as stem cell, cord blood, blood, and gamete.
He showed the great results of his researches such as registering patent about microalgaes in the polar region which is making anti-freezing protein and also about vector production system for mass production of anti-freezing protein.
Professor Kim led the first stage of research project ’Development of Preservation for High-value Living Resources with Anti-freezing Protein from the Polar Region’ from 2010 to 2012. The research proceeded as NAP (National Agenda Project). Korea Basic Science Institute, Medipost, Hurim Bio Cell, Konkuk University, and Gachon University participated the research.
The research team showed very interesting and notable result.
They invented mass production technology with recombination of the protein’s gene which is the essential material for keeping bodies in frozen. The protein used to be impossible to produce much amount because of its characteristic.
The team was also successful about the percentage of survival on unfreezing. With the protein, they raise the percentage of survival from 85% to 95% on the procedure of freezing and unfreezing human’s blood and stem cells.
Professor Kim’s team found anti-freezing protein in Antarctic sea ice and Artic lake as the first in the world. They succeeded to find the protein from yeast from the North Pole and produce it after cultivation in large numbers.
The survival rate of red blood cells was also improved. If it is frozen and unfrozen at from 80 to 196 degrees below zero, it usually damaged hard. However the team developed the technology to prevent damages from low temperature.
It means that the technology using anti-freezing protein can be also used in many other various way except reviving frozen man.
The technology can be used in storage of blood. Blood at 4 degrees above after pulling out red blood cells should be discarded after 40 days, and that’s why the technology is useful.
Organ transplant surgery also needs the technology. The organs for transplantation usually are kept in refrigeration at 4 degree above, and it could damage tissues frequently. At zero degree of temperature can damage cell issues easily. However, with the anti-freezing protein, the organs can be kept without damage at 0 degree.
"In the food industry, ice cream has quite much share. If we put left ice cream after eating into freezer, taste of the ice cream can be changed. However, if we put the protein to the ice cream, the taste can be maintained as it prevents ice making," professor Kim said.
Functional cosmetics added anti-freezing protein to prevent frostbite of skin from cold weather. In agriculture, they are making transformed plants with the protein which are strong toward cold.
Professor Kim also mentioned that this protein can be used more in the medical industry. As the population is aging, the effect of anti-freezing protein becomes very important for effective frozen preservation and bulk security of stem cells and cord blood which are main ingredient for cure of geriatric illness, cell therapy products, new bio medicine, and research and development of organs.
The world market size about stem cells and cord blood will be around 25 trillion won at least in 2015.
"Stem cells tend to die after unfreezing or be divided into unspecified cells as its efficiency of freezing preservation is not good compared to cell trains, so keeping its own characteristic perfectly after freezing is needed. If the protein can be used as an alternative or complementary material of existing freeze preservation one for freezing preservation of stem cells and cord blood, the ripple effect will be great," the professor said.
He is on national policy research now about freezing preservation of issues of ovary and ovum together with Seoul National University Bundang Hospital. The research is about freezing preservation of ovary taken from cancer patients, and using it later.
He is also on the progress about how to preserve cord blood for drawing stem cells with public cord blood bank of Seoul Boramae Medical Center. (President Yun Jong-Hyun, professor of medical college in Seoul National University)
As you might guess, the most important mission about the protein is securing large amount of it with cheap price. Enriching and refining protein are ineffective in the aspect of its cost and labor as the amount of protein combined inside of creatures is too small.
Kim said that A/F Protein, the only one company what did commercialization of anti-freezing protein currently, is selling the protein as twelve million won for a gram because they are took it from huge amount of fishes. That is why the protein is not commercialized yet.
Therefore, his purpose of research is developing high-efficiency freezing preservation system based on anti-freezing protein.
His goal is producing various high-active anti-freezing protein from the pole regions which has competitive price like thirty thousand won for a gram and establishing freezing preservation protocol customized on cells and issues.
Do you still wonder of possibility for revival of frozen man? It is not the time to decided the result yet, because we are still finding clues of it. <Pukyong Today>
What is anti-freezing protein?
It is a special metabolite made in the body of creatures in pole regions as they are living in extremely cold area. The material prevents growth of ice and recrystallization which can give critical damage to cells as it is combined with small ice crystals. The clues what shows that mechanism of the protein can protect cell membrane through its interaction between mammal cell membrane and ice are getting increased.
Who is Kim Hak-Jun?
The professor Kim Hak-Jun (department of chemistry) graduated from microbiology department in Pukyong Natioanl University as the class of 87’. After finishing bachelor’s degree and master’s degree in PKNU, he got the doctor’s degrees from Washington State University and Vanderbilt University of USA. He worked as senior researcher in Korea Polar Research Institute from September 2006, and he was appointed as the professor of his old university from September 2013. His major is structural biology and biochemistry. |
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우선 김학준 교수의 연구를 들여다보자. 그는 이 결빙방지단백질을 생체동결과 해동에 적용하는 연구를 처음 시작한 주인공이다. 이 분야에서는 자타가 공인하는 국내 최고의 연구 성과를 올리고 있다..JPG)
그러니까 냉동인간 살리는 일 말고도 당장 결빙방지단백질을 활용한 냉동보존기술이 쓰일 곳은 무궁무진한 것이다.