코로나19의 영향력이 클 것으로 전망되는 가운데 백신의 발전에서 인공 후각, 신경과학에 이르기까지 연구진이 자신의 전문분야에서 2021년 주목할 만한 7개 바이오 기술에 대해 Nature지가 트렌드와 발전 전망을 예측했다. 위기를 기회로 삼아서 코로나 백신은 유례없는 기록적인 단시간에 개발/승인되어 가고 있다. 아마도 열에 영향을 받지 않는 백신 개발이 가장 시급하고 많은 사람이 열망하는 기술일 것이다. 두뇌 홀로그램, 더 나은 항체 제작, 새로운 단일세포 시퀀싱 기술, 세포의 힘을 시각화 및 조작하여 물리적 힘과 세포기능 간의 관계 규명, 임상 현장에서의 질량 분석 등이다. 한국 고려 대학교 신소재공학부, 2021년 화학 센서 국제회의 운영 위원 이종흔 교수의 냄새로 질병 포착 기술도 인정받아 뿌듯하다.

1. 주목할 바이오 분야 7가지 기술
Seven technologies to watch in 2021

2. 코로나19의 영향력이 클 것으로 전망되는 가운데
백신의 발전에서 인공 후각, 신경과학에 이르기까지
연구진이 자신의 전문분야에서
2021년 주목할 만한 7개 바이오기술에 대해
트렌드와 발전전망을 예측했다.

3. 열에 안전한 백신
Thermally Stable Vaccines
연구 개발 프로그램/기술 책임 Nicholas Jackson, CEPI

4.  모더나, 화이자 코로나19 mRNA 백신은 임상 1상까지 4개월 기록적
속도로 개발. 긴급 사용 승인/사용 중.
 올해도 mRNA 백신 개발 혁신은 지속:
 mRNA 전달 나노 입자에 이온화 가능한 지질을 사용하여, 생리적 pH에서
중성을 유지하다가 세포 내 산성환경에서 mRNA 방출.
 개발 중인 차세대 이온화 지질 나노 입자는 특정 세포나 조직 표면의 수용체를
표적으로 mRNA 백신 전달
 백신 구조에 변형없이 효율적으로 동결건조하여 쉽게 보관/이동 가능한
형태로 개발하여 접근성 향상
 접근성이 높은 휴대용 RNA 프린팅 기술 개발.
 CEPI: 완전 이동 가능한 mRNA 생산 장비를 위해 CureVac에 $3,400만 투자

5. 두뇌 속 홀로그램
Holograms in the Brain
바이츠만 과학 연구소 시스템 신경과학자 Ofer Yizhar, Rehovot

6.  특정 뇌세포/회로 활동을 제어하는 광유전학 기술 2005년 등장.
신경과학 분야에서 큰 반향을 일으켰으며, 2021년 더 큰 영향 예상:
 특정 유형의 뉴런 조작 후 통신에 사용되는 세포 분석이 제한적인 단점을
해결하기 위해 새로운 빛에 반응하는 단백질 개발
 동시에 살아있는 조직의 고해상도 이미징 기술, 단일뉴런 조작을 위한
홀로그래피 등 광학적 접근방식이 발전하면서 뉴런을 3차원의 복잡한 시간
패턴으로 정밀하게 분석 가능
 Bruker, 3i와 같은 현미경 회사가 2-광자 이미징 시스템에 홀로그래피를
통합한 장비 제공으로 더 정교한 뉴런 표시, 활성화 패턴 홀로그램 생성.
 광유전학 도구 및 광학기술의 융합 개발로 단일뉴런과 신경코드를 정밀하게
탐색할 수 있을 것으로 기대

7. 더 우수한 항체 제작
Building Better Antibodies
킹스 칼리지 런던 면역학자 Alica Chenowth

8.  1990년대 중반부터 사용된 항체치료제는 바이러스 또는 종양세포 표면의
특정 표적 표적물질을 제거를 위해 면역세포와 결합해야 하는데 결합에
효과적이지 않은 형태였다. 분자생물학 발전으로 항체를 신속하게
변형시켜 질병을 퇴치하기 위해 면역체계를 더 잘 활용할 수 있게 되었다.
 빠르고 효율적인 분자 복제 방법인 PIPE 플랫폼을 활용하여 항체에 점
돌연변이를 도입하여 기능이 우수한 항체를 제작
 또 다른 접근방법으로 대부분 치료용 항체는 IgG 기반이나, 강력한 면역반응을
기대할 수 있는 IgE 기반의 항체 치료제 개발
 항체의 장점은 다양한 표적을 대상으로 거의 모든 질병에 적용 가능한데,
암, 면역, 알레르기 뿐 만 아니라 코로나19를 포함한 감염병 치료제로서
가능성은 무한할 것으로 전망

9. 3가지 새로운 단일세포 시퀀싱 기술
The Single-cell Power of Three
UC 버클리 세포 발달 생물학자 Coral Zhou

10.  인체 세포의 다양한 기능은 모두 단일세포와 단일게놈에서 시작.
배아발달 초기단계에서 이러한 현상을 분석할 수 있는 3가지
새로운 단일세포 시퀀싱 기술 기대 .
 하나, 게놈 3D 구조 연구 방법인 Hi-C로 마우스 배아의 단일세포에서 모성 및
부계 염색체 검사. 2020년 3월 수정 직후 게놈이 혼합되지 않는다고 보고.
 둘, CUT & Tag 기술은 게놈의 특정 생화학적 표지를 추적하여 화학적 변형이
개별 라이브 세포에서 유전자를 켜고 끄는 방법을 연구하는 데 도움
 셋, SHARE-seq는 두 가지 시퀀싱 방법을 결합하여 전사 활성화 분자가 접근
가능한 게놈 위치를 확인.
 이러한 도구와 기술을 발달 중인 배아에 적용함으로써 게놈 구조의 특정
기능이 세포 운명을 어떻게 결정하는지 로드맵 작성에 기여할 것으로 전망

11. 세포의 힘 측정
Feeling the force
존스 홉킨스 의대 합성 세포 생물학자 Takanari Inoue

12.  세포는 물리적 힘을 감지하여 유전자 발현, 증식, 발달 및 암을 조절하는 등
그 효과만 관찰. 2가지 최첨단 도구로 살아있는 세포의 힘을 시각화 및
조작하여 물리적 힘과 세포기능 간의 관계 연구 가능:
 GenEPi: 두 분자를 융합한 기술로, Piezo1이라고 불리는 이온 채널은 칼슘
이온 움직임을 통해 세포막의 장력을 감지하고, 두 번째 분자는 이온이 칼슘에
결합할 때 형광을 발하여 힘을 감지하여 생리학적으로 온전한 세포 상태에서
연구가 가능. 세포질 칼슘을 광범위하게 모니터링하는 이전 센서와 달리
GenEPi는 Piezo1을 통한 힘 감각과 관련된 칼슘 활동만 측정
 ActuAtor: 병원성 박테리아 Listeria monocytogenes의 단백질 ActA 사용.
포유류 숙주세포를 감염시킬 때 ActA는 숙주 단백질 합성 시스템을 이용하여
액틴을 만들어 내는데, 이것은 박테리아를 밀어내는 힘을 생성. 화학적
자극으로 세포 내 특정 부위에서 액틴을 합성하는 ActuAtor를 사용하면 세포
내부 깊숙이 힘을 가할 수 있다. ActuAtor는 살아있는 세포에서 세포기관을
타겟팅하여 비침습적으로 변형하는 최초의 도구 중 하나로 평가된다.

13. 임상 현장에서의 질량 분석
Mass Spectrometry in the Clinic
오스틴 텍사스 대학 분석 화학자 Livia Schiavinato Eberlin

14.  질량분석은 복잡한 시료에서 분자를 높은 감도로 빠르게 분석하는 기술로,
기초연구에서는 조직을 더 깊이 분석하기 위해 기술이 고도화되고 있고,
임상 현장에서는 의사가 임상결정에 활용할 수 있도록 단순화되는 추세:
 MALDI는 조직분석에 사용하는 질량분석 이미징 기술이나, 조직에서 분자를
추출하고, 진공 상태에서 이온화 필요. 2017년에 일반 대기에서 분자 이온화
시스템 개발. 프로세스를 단순화하고 다양한 기술과 융합 가능하게 함.
 다중 모드 기능을 통해 더 큰 분자와 조직학적 정밀도로 숙주-미생물 상호작용
및 대사변화를 분석 가능.
 정상/종양조직을 구별할 수 있는 대사산물에 중점을 두어 외과의가 종양
조직/경계 식별에 도움이 되는 휴대용 질량분석시스템 MasSpec Pen 제작.
올해 유방암, 난소암, 췌장암 수술 또는 로봇 전립선 암 수술 환자를 대상으로
MasSpec Pen을 계속 평가할 계획이며, Genio Technologies에 기술이전

15. 냄새로 질병 포착
Sniffing out Sickness
고려 대학교 신소재공학부,
2021년 화학 센서 국제 회의 운영 위원 이종흔 교수

16.  코로나19를 포함하여 질병이나 환경 위험에 관한 가스 혼합물을 감지하기
위해 인간의 후각을 모방하는 기술을 개발 중:
 시각, 청각 및 촉각과 달리 냄새에 대한 화학 센서는 매우 복잡하고 민감하여
후각은 미량 농도에서 수백 또는 수천 가지 화학 물질의 혼합물을 감지. 인공
후각 차세대 기술 하나로 이중 층으로 센서를 설계하여 가스 감지 재료의
다양성을 높이기 위해 연구.
 예로, 10개 서로 다른 감지 물질 각각을 10개 촉매 층으로 코팅하여 각 물질의
가스 감지 특성을 미세 조정, 총 10x10 또는 100개의 서로 다른 센서 제작
 또 다른 기술은 후각 센서가 빠르게 반응을 전달하도록 광합성을 위해 햇빛을
많이 흡수하도록 표면적을 최대화한 나무 또는 작은 부피로 넓은 표면적을
가진 폐는 기도 혈관의 전달력을 최대화한 것과 같이 자연의 계층모델을
모방하여 다공성의 센서 제작
 인공후각 기술은 천식 환자 호흡에서 산화 질소를 감지하는 의료 진단 뿐만
아니라 대기오염 모니터링, 식품 품질 평가 및 식물호르몬의 신호를 기반으로
한 스마트 농업에도 응용 가능

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