생체공장화를 위한 곤충 이용이 발현벡터(BEVS)의 연구를 통해 발전하고 있으며, 분비단백질, kinase, melanotransferrin, glutamate transporter 등 다양한 생체활성물질이 곤충 배양세포에서 저렴한 비용으로 생산되고 있다. 그러나, 포유동물 세포와 같이 생산된 재조합단백질의 제한된 분비효율이라는 문제가 있다. 이는 과량의 전사체 생성과 endoplasmic reticulum(ER) 내로의 운반, 그리고 이 과정에서 생기는 ER의 기능 변화 및 stress response와 연관이 있다. 따라서 ER의 기능 및 stress response와 관련된 연구 동향을 고찰하고, 이를 바탕으로 곤충 생체 또는 세포로부터 재조합단백질의 안정적인 대량 생산과 분비능력 개선 방안을 탐구해야 한다.
<h1>서 론</h1> <p>생명공학의 발달에 의해서 인간에게 사용할 수 있는 생체 활성물질이 배양세포에서 재조합단백질 형태로 생산되어 단 백질 치료제 및 진단시약으로 사용되고 있다. 배양세 포를 이용할 경우 이들 생체활성물질이 기대했던 것과 달리 대부분이 생체활성을 나타내지 못함으로써 극히 적은 양의 생체환성물질만을 생산한다. 생체활성물질의 직접적인 대량 생산이란 측먼과 함께 단백질의 구조, 기능 및 각종 진병에 서의 역한, 농약 연구, 진단 시약, 백신, 약리 연구 및 유전자 치료등과 같은 분야에서 급증하는 재조합단백질의 수요에 대응하기 위하여 완전하게 생체활성을 가진 재조합단백질을 지속적으로 대량생산할 수 있는 곤충 생체공장화의 연구가 시급히 요구되어서 최근에 곤충 생체공장화가 주목을 받고 있는 실정이다. 생체공장이란 유용하게 이용할 수 있는 생체활성물질을 안정적으로 생명체로부터 대량으로 생산한 수 있는 일종의 생물반응기를 의미한다. 또한, 생체공장을 광의적으로 해석할 경우에는 단일세포 자체도 복잡한 대사경로를 거쳐 유용대사산물을 생산하므로 마이크로 규모의 생체 공장으로 불 수도 있다. 물론 in vitro의 생물반응기를 이용하여 생체활성물질을 생산할 수도 있으나 그것은 너무나 제한적인 종류의 생체활성물질 생산과 복잡하고 고가의 시설을 필요로 한다. 더욱이 생체활성을 가진 물질 생산을 위한 공업적인 최적화는 생체활성물질의 종류에 따라서 많은 차이가 있어서 미래의 생체공장으로 하기에는 많은 어려움이 있다.</p> <p>곤충을 이용한 생체공장화는 최근에 발현벡터 (BEVS: ba-culovirus expression vector system)의 꾸준한 연구결과에 합입어 급속하게 발전되어 각종 분비단백질과 kinase, mela-notransferrin, glutamate transporter등과 같은 많은 종류의 생체활성물질이 곤충배양세포에서 생산되고 있다. 이들 생체물질의 경우 대부분이 치료제 및 진단제로서 인류의 보건에 밀접한 관계가 있으며, 또한 대부분의 생체분자소재는 그 자체가 환경친화성 제품일 뿐만 아니라 생산 공정도 환경오염물질을 유발하지 않는 청정공정에 의해서 생산된다. 생체 공장화에 있어서 생산 단가와 최종 생산물의 품질은 가장 중요하게 고려할 요소다. 그러한 면에서도 곤충 생체 (누에)를 이용한 생체활성물질 생산의 최대 장점은 낮은 제조비용으로 고품질의 생체활성물질을 대량 생산할 수 있다는데 있다.</p> <p>표 1과 같이, 단백질 치료제로서 시장성이 높은 재조합단백질의 대부분은 분비당단백질이며, 따라서 이들 단백질들은 숙주세포의 secretory process에 의해서 생합성 된다. 재조합단백질 생산자들은 발현을 위한 숙주로써 포유동물세포에 초점을 맞추었는데, 왜냐하면 유일하게 포유동물세포만이 정확한 번역 후 변형과정 (post-translational modification step)을 수행할 수 있음으로써 치료적 가치가 높은 대부분의 단백질에 대하여 고유의 생체활성을 나타내게 할 수 있다고 판단하였다. 그러나 포유동물세포롤 재조합단백질 생산을 위한 숙주로 사용할 경우에는 포유동물세포를 배양하고 유지하기 위하여 포유동물 유래의 각종 호르몬과 생장조절물질이 다량으로 필요하므로 상당 비용이 요구된다. 따라서 포유동물세포와 유사한 번역 후 변형과정을 가지면서 저비용으로 재조합단백질을 생산할 수 있는 새로운 생산 시스템이 탐색되었는데, 최근에 곤충생체 및 곤충세포가 주목을 받고 있다.</p> <p>BEVS 이용에 의해서 곤충생체 또는 곤충세포에서 재조합단백질을 생산할 경우 포유동물세포에 비해서 횔씬 저렴한 비용으로 생산할 수 있지만, 생산된 재조합단백질들은 포유동물세포에서와 마찬가지로 재조합단백질의 제한된 분비효율이라는 한계에 직면한다. 비록, BEVS에 의해서 재조합단 백질이 세포 내에서는 과량으로 만들어지지만 그 대부분이 비수용성의 aggregate를 형성함으로써 극히 적은 양만이 세포 외로 분비되거나 혹 분비된다고 하더라도 생체활성을 가지지 못하는 등의 문제점을 가진다. 이러한 문제점이 발생하는 원인은 첫 번째, 세포질에서 과량의 전사체를 만들면서 ER (endoplasmic reticulum) 내로 운반된 과량의 재조합단백질이 생체활성을 가지는 재조합단백질 생산을 위한 rate-limiting factor로서 작용할 수 있으며, 두 번째, 재조합단백질 생산의 과정에서 야기되는 이러한 rate-limiting step이 세포 기능에 있어서 변화와 깊게 연관될 수 있기 때문이다. 특히, ER를 통한 단백질의 이동 및 ER 품질관리 (ER quality control; ERQC) 기작은 단백질의 번역 저해, 세포성장 억제또는 apoptosis의 활성에 의한 세포수를 감소시킬 수 있기 때문이다.</p> <p>따라서 여기에서는 재조합단백질의 생산과 밀접한 관련이있는 ER의 기능과 ER stress response에 대한 최근 연구동향을 분자 수준에서 언급할 것이며, 또한 곤충생체 또는 곤충 세포로부터 재조합단백질의 안정적 대량 생산과 분비능력 개선을 위한 방안으로써 ER signaling과 재조합단백질 생산과의 관련성에 관하여 언급할 것이다.</p>