기능성 단백질들은 의약품, 화장품, 식품 등 산업 분야로 적용될 수 있는 가능성이 높으며, 특히 의약품으로 사용되고 있는 단백질인 바이오 의약품의 경우, 합성의약품보다 부작용이 적고 특정 질환에 대한 효과와 선호도가 높아 성장세에 있다. 하지만, 임상실험의 시간과 비용, 실패 확률이 높아 최근 들어 기존에 상용화 되어 있는 단백질 중 특허기간이 만료된 것을 선택하여 그대로 복제 생산하는 방식인 바이오시밀러(복제의약품)가 짧은 임상실험 기간, 적은 투자비용, 높은 안정성과 효능 및 성공 가능성으로 기업들의 연구비 투자가 급증하고 있다. 최근에는 이러한 트렌드가 바이오 화장품으로 번져 가고 있는데, 이는 인간의 생활수준 향상 및 노령화가 가속화되며 인간의 사회적 욕구를 충족시키고, 상대적으로 적은 비용과 시간으로도 세계적 수준의 제품을 개발할 가능성이 높기 때문이다. 바이오 화장품 원료의 대표적인 사례인 상피세포성장인자(epidermal growth factor, 이하 EGF)는 피부의 세포분열을 촉진시켜 주는 기능성 단백질로 주름개선, 피부탄력 유지, 피부보습, 기미 검버섯 제거, 미백, 손상된 피부 회복 등에 효과가 탁월하다고 보고되자, 꿈의 화장품 원료로 불리며 차세대 노화방지 화장품 원료로 인정받고 있다. 하지만, 바이오 화장품의 원료로 사용되는 단백질의 종류가 아직까지는 일부에 국한되어 있어, 앞으로 그 종류를 좀 더 다변화시킨다면 경제성과 시장성을 충분히 확보할 수 있을 것이다.

■ KIOST 관련 연구사업 소개

대상 단백질의 유전자 코드를 세포시스템에 도입하는 유전공학 기술의 급격한 발전으로 재조합 단백질의 대량생산이 가능해짐에 따라, 현재의 연구들은 보다 활성이 좋은 단백질 탐색, 새로운 기능 규명 및 단백질의 구조변형을 통한 개량, 단백질 생산을 위한 세포시스템 개발의 내용이 주를 이룬다. 하지만, 고정제도를 요구하는 의약용, 화장품용 및 시약용 단백질들의 판매 가격이 1gram 당 수천만에서 수십억 원에 달할 정도로 높게 형성되어 효능이 아무리 뛰어나더라도 산업적인 생산으로 이어지지 못하거나 제품의 판매단가를 높이는 요인이 되기도 한다. 특정 단백질을 과잉생산하기 위한 세포시스템 확립 시, 배양액과 생산시설 이외의 비용은 별로 발생되지 않지만, 세포에서 분비된 단백질을 순수 정제하는 과정에서 고비용과 소실량이 많아지므로 앞으로는 기능성이 우수한 단백질의 생산단가를 낮추면서 고품질로 생산하는 방법에 대한 연구가 필요하다.

한국해양과학기술원에서는 연구 인프라사업의 일환으로 2016년부터 ‘제주 해양미생물 유래 신호단백질을 활용한 기능성단백질 생산기술 개발’ 사업을 수행하고 있다. 해양미생물에서 유래된 신호단백질 2종을 각각 대상 단백질에 연결시키고 대장균 내에 도입시켰을 때, 생산된 단백질이 세포의 내막과 외막 사이로 많은 양이 이동하는 것에 착안하여 대상 재조합 단백질을 저비용·고순도로 대량 정제할 수 있는 새로운 기술을 확보하였다. 이를 기반으로 기능성 화장품 원료로써 잠재적 가치가 있는 단백질들을 선정하여 산업적 적용이 가능하도록 연구를 진행하고 있으며, 향후 복제의약품 개발에도 활용할 계획을 가지고 있다. 본 연구사업의 최종 목표는 다음과 같다.

주요 대상 기능성 단백질은 상피세포 성장인자(Epidermal growth factor, EGF), 항산화 효소(superoxide dismutase, catalase, peroxiredoxin6 등), 한천분해효소 (beta-agarase)가 있으며, 먼저 EGF는 체내에서 생산되는 단백질 중 하나로 피부의 상피세포를 재생시키고 콜라겐의 형성을 촉진한다고 알려져 있으나, 나이가 들수록 체내 분비량이 감소하여 피부의 노화를 촉진시킨다. 피부노화 방지에 있어 최고의 화장품 소재지만 원료 가격이 고가로 형성되어 있는데, 식품의약품안전처 고시에 따르면 EGF를 10ppm (100ug/100ml 당)까지 화장품에 혼합하여 사용이 가능하지만 업체별로 혼합비율이 0.1ppm~10ppm 으로 다양하며 혼합비율 조차 표시되지 않은 제품이 대다수이다. 항산화 효소의 경우, 피부 노화 및 각종 질병의 원인이 되는 대기 중의 활성산소를 제거하기 위해 체내에서 다양한 항산화 효소들이 분비되지만, 나이가 들수록 분비량이 줄어들기 때문에 피부의 노화 및 각종 질병에 대처하기가 점차 어려워지게 된다. 항산화 효소들을 유전공학 기술을 이용해 그대로 복제하여 피부에 사용한다면 자외선 대처와 노화의 원인이 되는 활성산소를 근원적으로 차단할 수 있는 방법이 될 수 있다. beta-agarase는 우뭇가사리와 같은 홍조류의 주성분인 한천을 분해하는 효소로 한천올리고당을 제조하는데 사용되며, 이렇게 생산된 한천올리고당은 미백, 보습, 항산화 등의 기능성이 있다고 보고되어 차세대 화장품 원료로 잠재성이 있다.

■ 국제동향

1) 기능성 단백질 생산 세포 시스템

현재 대부분의 기능성 단백질은 세포공장에서 유전자재조합 기술을 이용하여 생산하는데, 주로 대장균, 효모, 동물세포 등을 이용한다. 동물세포의 경우 당단백질(당이 붙어있는 단백질) ¹⁾ 생산에 있어 정확하게 당이 붙는 시스템을 갖추고 있기 때문에 치료용 항체 개발 등에 많이 적용된다. 하지만 동물세포를 이용해 생산되는 재조합 단백질은 고가의 배양액을 사용하여 고비용과 오염 가능성이 있다. 미생물을 이용한 세포시스템에는 대장균과 효모가 사용되며, 적은 생산단가와 간편한 생산공정의 장점을 가지고 있지만 단백질 구조가 복잡한 경우 폴딩과 당쇄 부착 문제가 발생할 수 있어 이를 해결하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 현재 산업적으로 가장 많이 사용되고 있는 대장균의 경우 당쇄 결합이 필요 없는 단백질 위주로 생산되고, 대상 단백질을 신호단백질과 연결하여 periplasm(세포 내막-외막 사이) 영역으로 이동시킨다. Periplasm 영역에는 단백질의 이황화 결합을 도와주는 효소들이 존재하고 있어 단백질의 폴딩을 더욱 용이하게 해주고 단백질이 세포질 내에서 만들어졌을 때보다 삼투압법에 의한 정제가 용이하다. 하지만, 성공률이 약 25% 수준으로, 이러한 문제를 개선하기 위한 연구와 단백질 원형 그대로 생산하는 기술 및 효능·체내 안정성이 개선된 개량 단백질 기술 등이 개발되고 있다.

1) 당단백질에 부착된 당쇄의 구조와 종류는 당단백질의 활성, 폴딩, 분비, 안정성, 혈장 내 반감기 및 면역 반응 등에 큰 영향을 미치기 때문에 당쇄 구조에 대한 정확한 해석과 기능 분석은 의약용 당단백질 제품 개발에 매우 중요하다.

2) 기능성 단백질 정제 시스템

세포시스템을 이용해 생산되는 기능성 단백질들은 최종적으로 세포 내의 불순물과 다른 단백질들, 그리고 endotoxin과 같은 물질들을 걸러내는 정제 단계를 거쳐 순도를 높이게 된다. 인체에 직접 사용되지 않는 단백질들의 경우, 대상 단백질에 기질 친화성 또는 이온성이 강한 단백질을 주로 연결하여 세포 내에서 생산되도록 하고 이를 친화성 또는 이온 크로마토그래피를 거쳐 정제하게 되는데, 정제도 높은 단백질을 얻어낼 수는 있으나 사용되는 resin의 가격이 높고 회수율이 떨어지게 된다. 정제를 위한 연결단백질은 주로 maltose binding protein, glutathione S-transferase, histidine tag 등이며, 인체용으로는 부적합하고 시약용이나 진단용 단백질에 주로 사용된다. 인체에 직접 사용되는 단백질의 경우, 부작용이 없고 인체 친밀도를 위하여, 원형 그대로의 단백질을 선호하며 기능 향상을 위해 일부 아미노산에 대해서만 변형을 주기도 한다. 가장 많이 사용하는 방법은 신호단백질 연결을 통한 세포 분비 시스템으로, 대상 단백질을 세포막 바깥으로 이동시킨 후 signal peptidase에 의해 제거되기 때문에 원형에 가까운 형태를 유지하게 된다. 동물세포(세포막이 하나인 세포)의 경우, 세포 외로 단백질을 이동시켜 배양액 내에 대상 단백질이 존재하게 한 후 세포가 제거된 상등액에서 여러 단계의 겔 여과 크로마토그래피를 거쳐 단백질을 정제하게 된다. 대장균(세포막이 두 개인 세포)의 경우, 대상 단백질을 세포의 내막과 외막 사이로 이동하게 하는 시스템을 사용해 삼투압을 유지해 주면서 세포 외막만을 파괴시키는 방법으로 내막과 외막 사이의 단백질을 회수하게 된다. 하지만, 정제도가 떨어지기 때문에 여러 단계의 겔 여과 크로마토그래피를 거치는 과정을 거치며, 이 과정 역시 정제과정의 단가가 높게 발생되고 정제된 단백질의 회수율은 떨어진다.

■ 결론

인간의 수명이 늘어나고 삶의 질이 향상됨에 따라 기능성 화장품 개발 요구가 점차 높아지고 있다. 국내 기능성 화장품 산업은 이러한 소비자의 욕구에 부응하기 위한 기술 향상이 이루어지고 있으나 기능성 소재의 원료 수입의존도가 점점 높아지고 있어 적극적인 기술 개발을 통한 원천기술 확보의 필요성이 있다. 특히, 가장 큰 시장성을 가지고 있는 노화와 관련된 제품들은 피부의 콜라겐 분해를 감소시켜 줄 수 있는 항산화제의 사용과 콜라겐 대사에 직접적으로 관여하여 콜라겐의 생성을 촉진시켜 주는 세포조절물질의 두 가지 타입으로 분류할 수 있다. 이를 유전공학 기술을 접목해 인체에서 생산되는 것과 동일하고 부작용이 없게 만들었을 때, 가장 좋은 화장품 원료로 사용이 가능하다. 따라서 어떻게 하면 좀 더 바이오 화장품 원료를 싸게 고품질로 만들 수 있는가에 향후 연구의 초점이 맞추어져야 할 것이다.