"동물세포도 이젠 디지털로"...국내 연구진, '디지털 가상세포 모델' 제시
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"동물세포도 이젠 디지털로"...국내 연구진, '디지털 가상세포 모델' 제시
  • 정 현 기자
  • 승인 2024.04.02 00:45
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- 성균관대 이동엽 교수팀, 디지털 동물세포 토탈시스템 발표
- 동물세포에 대한 디지털트윈 및 디지털전환 개념 새롭게 제시
- 논문, SCI급 저명 국제학술지 'Trends in Biotechnology' 게재

[위즈뉴스] 국내 연구진이 동물세포에 대한 디지털 가상세포 모델을 제시했다.

성균관대(총장 유지범)는 2일, 화학공학/고분자공학부 이동엽 교수 연구팀이 글로벌 바이오의약품 생산공정의 디지털 트랜스포메이션(DX)를 촉진할 수 있도록 맞춤형으로 설계된 디지털 CHO 가상세포 모델과 예측 시뮬레이션 기술들을 발표했다고 밝혔다.

왼쪽부터 이동엽 교수, 박서영 연구교수, 최동혁 연구원 / 사진=성균관대

CHO(Chinese hamster ovary) 세포는 바이오 의약품(항체와 같은 재조합 단백질)을 생산하는 주요한 동물세포주이다. 중국 햄스터의 난소에서 추출되어 사용되어 왔으며, 세포 유래 바이오 의약품 중 70% 이상이 CHO를 통해 생산된다.

이번 연구성과를 담은 논문은 생명공학 분야의 SCI급 저명 국제학술지 ‘생명공학 동향(Trends in Biotechnology, IF=17.3)’ 3월 28일 자 온라인 게재됐다.

논문명은 'Driving towards digital biomanufacturing by CHO genome-scale models'이며, 이동엽 교수가 교신저자로, 박서영 연구교수와 최동혁 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 

"유전자 치료제나 배양육 생산 등 분야로 연구 분야 확장할 것"

연구를 이끈 이동엽 교수는 “바이오공정 디지털 트윈 개념을 새롭게 제시한 이후, 현재 다양한 핵심 기술들(센서 및 실시간 모니터링, 데이터관리, AI 예측모델링, 가상세포모델링, 공정제어)에 대한 새로운 접근 방법과 기술적 전략들을 연구하고 있다”면서 “세포 및 유전자 치료제나 배양육 생산 등과 같은 동물세포 기반의 DX 공정 분야로 확장시키는 연구도 동시에 진행하고 있다”고 말했다.

국제학술지 'Trends in Biotechnology' 최신호에 게재된 해당 논문
doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.03.001

디지털 가상세포 모델은 실제 세포의 유전체 정보로부터 수학적으로 디지털화한 소위 ‘세포 네비게이터’ 혹은 ‘세포 디지털트윈’으로 이를 활용해 여러 환경 및 유전 조건에서 실제 세포의 거동과 내부 대사흐름 및 조절을 모사하고 세포의 변화 양상을 예측할 수 있다.

특히 CHO 세포는 현재 4,700억불 이상의 바이오의약품 시장에서 가장 많이 이용되고 있는 동물 세포주로 2016년 이동엽 교수 연구팀이 이끈 국제 공동연구를 통해 ‘CHO 가상세포 모델(CHO-GEM)’이 최초로 개발되었다.

지난 10년간 CHO-GEM은 바이오의약품 생산 세포주의 특성을 파악하고 다양한 배양공정 연구에 활용되어 왔으나 미래의 차세대/첨단 바이오공정에서는 실시간 데이터의 활용 및 분석, 예측 모델링과 제어를 위한 디지털 전환기술이 필수적으로 요구된다.

연구팀은 다양한 동물세포주와 실시간 배양조건에 따른 세포 생장, 그리고 단백질 의약품의 생산량, 품질 변화 등을 정밀하게 예측하기 위해 대사과정과 더불어 대사조절, 신호전달, 효소활성, 단백질 당화 및 분비 등의 핵심적인 생물학적 기작들을 하나로 통합하여 디지털 세포 토탈시스템을 새롭게 제안했다.

동물세포 배양 시스템과 세포의 복잡한 대사 활동과 조절 메커니즘을 통합한 ‘디지털 동물세포 토탈시스템’ / 자료이미지=성균관대

연구팀의 박서영 연구교수는 “배양 공정의 실시간 데이터와 효소활성 데이터를 활용한 AI 모델을 통해 대사반응 시뮬레이션에 대한 예측 오차를 획기적으로 감소시킬 것으로 예상한다”고 말했다.

연구팀의 최동혁 석박통합과정생은 “개발 중인 DX 기반의 토탈시스템을 적용하게 되면 온도, pH, 배지조건 등 다양한 공정조건을 자유롭게 조절해 바이오의약품의 품질과 생산성을 향상시키는 구체적인 전략을 도출할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실사업(BRL)과 연구개발특구진흥재단의 화이트바이오 혁신 클러스터 사업으로 수행됐다.


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