인슐린을 만드는 세균(유전자 재조합)

 

 

Introduction

사람은 식사를 통해 포도당을 섭취하고 세포는 섭취된 포도당을 이용하여 대사과정을 거쳐 에너지인 ATP를 형성합니다. 그리고 형성된 ATP는 생명활동을 위해 사용됩니다. 식사를 하게 되면 포도당으로 인하여 혈당지수가 오르게 되는데 혈당지수가 정상범위보다 높은 상태로 일정시간 이상 지속되는 병을 당뇨병이라고 합니다. 이는 대사과정에 이상이 생긴 병으로 여러 합병증을 유발합니다. 그리고 혈당지수는 췌장에서 만드는 인슐린을 통해서 조절되고 있기 때문에 인슐린은 당뇨병과 직접적인 관계를 가지고 있습니다. 이번 시간에는 당뇨병에 대한 내용과 현재 인슐린을 얻기 위해 어떤 방법을 사용하고 있는지에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 

당뇨병

당뇨병(diabetes, diabetes mellitus)은 포도당의 대사과정에 문제가 생겨 일정시간이상 높은 혈당지수가 유지되는 병으로 여러 합병증을 일으키는 심각한 병입니다. 혈중 당 농도가 높아지면 신장이 더 이상 혈액을 걸러낼 수 없게 되어 소변을 통해 당을 배출합니다.(과다한 포도당을 소변을 통해서 밖으로 배출하려는 현상 때문에 탈수를 유발합니다.)

 

일반적인 혈당치수는 식사 전 60~110mg/dL이며, 식사 후에는 140mg/dL이상입니다. 그러나 당뇨병에 걸린 환자의 혈당지수는 식사 전 126mg/dL 이상이며, 식사 후에는 200mg/dL이상의 혈당지수를 유지하는 특징을 가지고 있습니다. 우리 몸에서는 혈당지수를 조절하기 위해 인슐린을 분비하는데, 인슐린은 혈액 속 당을 세포로 넣어주는 역할을 하기 때문에 혈당지수를 낮추어 주는 효과를 가지고 있습니다. 당뇨병은 인슐린 생성에 문제가 있거나 세포에 있는 인슐린 수용체에 문제가 생길 때 발생하며, 원인에 따라서 제1형 당뇨병, 제2형 당뇨병으로 구분 짓습니다.

 

● 제1형 당뇨병: 인슐린은 췌장에 있는 인슐린 생성 세포(β-cell, 베타 세포)에서 만들어지는데 자가면역반응(면역반응이 외부에서 침입한 항원에 반응하는 것이 아니라 자신을 항원으로 인식하여 자신의 세포를 공격하는 현상)으로 인하여 인슐린 생성 세포에 문제가 생겨 인슐린이 생성되지 않는 경우를 의미합니다. 자가면역반응이 갑자기 발생되는 이유는 아직 밝혀지지 않았지만 바이러스의 감염, 유전적 요인을 원인으로 생각하고 있습니다.(제1형 당뇨병 환자 중 20% 정도는 가족 중에 제1형 당뇨병 환자가 있습니다.)

 

● 제2형 당뇨병: 인슐린 생성에는 문제는 없지만, 나이가 들면서 체내 호르몬 효과의 감소로 인한 인슐린 저항으로 인해 발생되는 당뇨병을 의미합니다. 세포에 있는 인슐린 수용체가 점점 둔감해져서 혈액 속 포도당이 세포 안으로 들어가는 양이 작아짐에 따라 혈중 당 농도가 감소하지 않아 췌장에서는 더 많은 인슐린을 생성합니다. 이때 인슐린을 생성하는 세포(β-cell, 베타 세포)는 점점 지치게 되고 인슐린이 필요할 때 시간에 맞춰서 인슐린을 생성하지 못하게 됩니다. 제1형 당뇨병에 비하여 증상이 나타날 때까지 걸리는 시간이 긴 것이 특징입니다.

 

당뇨병의 일반적으로 체중감소, 잦은 배고픔, 의욕 감소, 두통, 쉽게 지치는 등의 증상들이 있으며, 뇌출혈, 심장마비, 신장투석, 발과 다리의 절단(당뇨병으로 인해 혈액순환이 잘 되지 않아 상처로 인해 조직이 괴사 하여 절단을 하게 되는 경우로, 당뇨발 이라고도 합니다.)등의 결과를 초래하기도 합니다.

 

제1형 당뇨병은 인슐린을 생성하지 못해 발생하는 병으로, 인슐린 의존적 당뇨병이라고도 합니다. 제1형 당뇨병에 걸리게 되면 평생 인슐린을 필요로 하는데, 필요한 인슐린을 어떻게 얻을 수 있을까요? 계속해서 인슐린을 어떻게 얻고 있는지 알아보도록 하겠습니다.

 

 

다른 동물에서 인슐린 얻기

인간의 인슐린은 L-아미노산으로만 구성된 A 사슬과 B 사슬로 이루어진 단백질이며 두 개의 사슬은 이황화 결합으로 연결되어 있습니다.

 

인슐린 단백질은 A-사슬과 B-사슬로 구성되어 있으며 각각의 사슬은 이황화 결합으로 연결되어 있다.

 

인간의 인슐린과 비교를 했을 시, 제일 비슷한 인슐린의 염기서열을 가지고 있는 동물이 소, 돼지였습니다.(소의 경우에는 아미노산 서열이 3개가 다르며, 돼지의 경우에는 아미노산 서열이 1개가 다릅니다.) 소, 돼지의 췌장에서 얻은 인슐린은 정확하게 인간의 인슐린과 같지는 않지만, 효과는 동일했기 때문에 치료에 사용되었습니다. 하지만, 인간의 호르몬이 아닌 다른 동물의 호르몬이기 때문에 당뇨병 환자 중 일부는 동물성 호르몬에 알레르기반응이 일어나는 부작용이 있었습니다.

 

1980년 Hoechst사의 한 연구자에 의해 돼지의 인슐린을 사람의 인슐린으로 바꿀 수 있는 방법이 개발되어 동물성 호르몬에 의한 알러지 반응의 부작용을 없앨 수 있게 되었습니다.(사람의 인슐린과 돼지의 인슐린을 비교해보면 30번 위치에 있는 아미노산 서열만 다른데, 사람의 경우에는 트레오닌(The)이고 돼지의 경우에는 알라닌(ALa)으로 되어 있습니다.) 그 연구자는 돼지의 인슐린을 트립신(trypsin, 가수분해효소)과 트레오닌 ester를 이용하여 알라닌에서 트레오닌으로 치환하여 돼지의 인슐린에서 사람의 인슐린을 얻었습니다.(이 과정은 보통 6시간이 걸립니다.)

 

한 명의 당뇨병 환자가 평생 필요로 하는 인슐린의 양을 얻기 위해서는 50마리의 돼지에 해당하는 췌장이 필요합니다. 독일에 있는 Hoechst 회사는 인슐린을 얻기 위해 매일 100,000마리의 돼지를 도살하였습니다. 동물에서 인슐린을 채취하기 때문에 가격이 상당히 비쌌으나, 대장균의 유전자 재조합을 통해 인슐린 생성이 가능해졌고 현재 인슐린의 가격은 많이 떨어진 상태입니다.

 

 

유전자 재조합으로 대장균에서 인슐린 얻기

대장균은 본인의 이중나선 원형 DNA와 상대적으로 길이가 작은 플라스미드 DNA를 가지고 있습니다. 플라스미드 DNA는 복제 원점을 가지고 있어 복제가 가능하고, 유전자 정보가 있다면 유전자 발현까지 가능합니다. 보통 플라스미드 DNA는 세균끼리 접합을 통해 전달이 가능하며, 이 과정을 통해 세균은 유전적 다양성을 높이고 있습니다.

 

유전자재조합 플라스미드 DNA를 통해 인슐린을 생성하는 과정

플라스미드 DNA는 길이가 작고 간단한 구조를 가지고 있기 때문에 유전자 재조합을 하기쉬운 특징을 가지고 있고, 원하는 유전자를 삽입하여 원하는 단백질을 대량 생산할 수 있습니다. 사람의 인슐린은 A-사슬과 B-사슬로 이루어져 있기때문에 베타-갈락토시다아제 유전자와 인슐린 사슬-A 유전자를 삽입한 플라스미드와 DNA, 베타-칼락 토시다 아제 유전자와 인슐린 사슬-B 유전자를 삽입한 플라스미드 DNA를 만들어 각각 대장균에 삽입합니다. 그리고 세포배양을 거쳐 베타-갈락토시다아제와 인슐린 사슬-A, B가 결합된 단백질을 획득합니다. CNBr(cyanogen bromide)을 처리하면 인슐린 사슬-A, B에 결합된 베타-갈락토시다아제가 분리됩니다. 그리고 정제 과정을 거쳐 인슐린 사슬-A 단백질과 인슐린 사슬-B 단백질만 분리하여 획득 할 수 있습니다.

 

정제과정을 거쳐 획득한 인슐린 사슬-A와 인슐린 사슬-B을 서로 가까이 놓으면 시스테인과 황의 산화적 반응이 생기고 두 개의 사슬은 접혀서 사람 인슐린으로 됩니다.

 

 

마무리

인슐린은 당뇨병 환자에게 없어서는 안 되는 단백질이며, 초기에는 인간 인슐린과 제일 비슷한 소, 돼지를 통해서 인슐린을 획득하였습니다. 하지만, 동물을 통해서 인슐린을 획득하면 동물을 죽여야 하기 때문에 윤리적으로 문제도 있었고 가격 또한 비쌌습니다. 하지만, 유전공학의 발전으로 대장균의 플라스미드 DNA를 재조합하여 사람 인슐린 단백질 유전자를 삽입하여 대장균이 사람의 인슐린을 생성할 수 있게 되었고, 그 결과로 더 이상 동물을 죽일 필요 없이 인슐린을 획득할 수 있게 되어 과거에 비하여 가격이 많이 싸졌습니다. 인슐린 생성뿐만 아니라 다른 유전자의 단백질도 생성이 가능하기 때문에 세균은 현재 원하는 단백질을 만드는 공장으로 이용할 수 있습니다.