학문
기억상실은공식인가
인슐린은 어떻게 대장균을 이용해서 대량생산되나요?
예전에는 동물 췌장에서 인슐린을 추출했는데 지금은 대장균으로 만든다고 들었는데, 미생물이 어떻게 사람 몸에서 쓰이는 인슐린 단백질을 생산해낼 수 있는 건지 궁금합니다.
5개의 답변이 있어요!
대장균을 이용한 인슐린 대량생산은 사람의 인슐린 합성 유전을 대장균의 플라스미드 DNA에 삽입하여 재조합한 뒤, 이를 대장균 내부로 침투시켜 대량 배양하는 유전공학 방식으로 이루어집니다. 본래 대장균은 자신의 단백질만 만들지만, 인간의 인슐린 유전자가 들어오면 자신의 유전자처럼 인식하여 분열할 때마다 해당 단백질을 함께 합성하게 됩니다. 배양기 안에서 숫자가 급격히 늘어난 대장균들이 인슐린 단백질을 지속적으로 생산하면, 대장균 세포를 분해하여 내부의 인슐린을 정제하고 활성 형태로 개조함으로써 사람이 직접 사용할 수 있는 인슐린을 대량으로 확보할 수 있습니다.
안녕하세요. 맞습니다. 현재 사용되는 많은 재조합 인슐린은 미생물이나 배양세포를 이용해 생산하는데요, 이때 핵심은 대장균에게 사람의 인슐린 유전자를 넣어 주면, 대장균이 그 유전자의 정보를 읽고 인슐린 단백질을 만들게 할 수 있다는 것입니다. 인슐린은 단백질이므로 기본적으로 DNA의 유전정보 → RNA → 단백질이라는 생물학적 정보 흐름을 따르는데요, 사람의 인슐린 유전자를 대장균이 읽을 수 있는 형태로 DNA에 넣어주면, 대장균의 리보솜이 그 정보를 이용해 인슐린의 전구체 또는 인슐린 관련 단백질을 합성할 수 있습니다. 즉, 대장균이 사람과 똑같은 인슐린 유전자를 원래 가지고 있는 것이 아니라, 사람이 필요한 유전정보를 대장균에게 제공하는 것입니다. 생산 과정은 사람 인슐린 유전자 확보 → 발현 벡터에 삽입 → 대장균에 도입 → 배양하면서 단백질 대량 생산 → 단백질 회수 및 정제 → 올바른 구조로 가공 → 품질검사 → 의약품으로 제조의 순서로 진행되며, 여기서 중요한 것이 인슐린의 구조입니다. 인슐린은 단순히 아미노산을 연결해 놓은 단백질이 아닙니다. 인슐린은 A사슬과 B사슬이 서로 연결되어 있고, 그 사이에는 이황화 결합이 형성되어 있어야 제대로 기능합니다. 따라서 대장균에서 단백질을 만들었다고 바로 환자에게 투여하는 것이 아니며, 생산된 단백질을 회수한 뒤 필요한 경우 절단 및 접힘, 이황화 결합 형성 등의 공정을 거쳐 정확한 3차원 구조를 가진 인슐린으로 만들어야 합니다. 이후 여러 단계의 정제와 품질관리를 거쳐 불순물이나 미생물 유래 성분 등이 제거됩니다. 특히 초기 재조합 인슐린 생산에서는 사람 인슐린의 A사슬과 B사슬을 각각 대장균에서 생산한 뒤 정제하고 결합시키는 방식도 사용되었으며, 이후에는 인슐린 전구체를 생산한 다음 효소적으로 가공하여 완성된 인슐린을 얻는 방식도 발전했습니다. 감사합니다.
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
대장균으로 인슐린을 만드는 것은 유전자 재조합 기술 덕분입니다. 사람의 인슐린 유전자를 대장균의 DNA에 넣으면 대장균이 그 유전 정보를 일고 사람 인슐린 단백질을 생산하게 됩니다. 이렇게 배양한 대장균에서 인슐린을 정제해 의약품으로 사용합니다. 미생물을 작은 생물학적 공장처럼 활용하는 원리이며, 현재 생산되는 많은 재조합 의약품에 활용되는 방법입니다.
안녕하세요, 기억상실은공식인가님. 이중철 전문가입니다.
먼저, 대장균을 이용한 인슐린 대량생산은 사람의 인슐린 합성 유전자를 대장균의 원형 DNA인 플라스미드에 집어넣는 유전자 재조합 기술을 통해 이루어집니다.
과거에는 돼지나 소의 췌장에서 어렵게 추출해야 했지만, 사람의 인슐린 유전자를 전달받은 대장균을 거대한 발효조에서 배양하면 대장균 세포가 사람의 단백질 공장처럼 작동하여 사람의 인슐린을 대량으로 합성해 낸답니다.
■ 유전자 재조합과 대장균 형질전환 과정
인슐린 대량생산의 첫 단계는 사람의 인슐린 생산 유전자를 잘라내어 대장균에 넣을 수 있는 형태로 만드는 것입니다. 사람 세포에서 인슐린을 만드는 유전자(A사슬과 B사슬 유전자 또는 프로인슐린 유전자)를 찾아낸 뒤, 특정 부위를 자르는 제한효소를 사용해 유전자를 끊어냅니다. 그리고 대장균 세포 안에 존재하는 원형 형태의 작은 DNA 조각인 플라스미드를 동일한 제한효소로 자른 후, 풀 역할을 하는 DNA 연결효소를 사용해 사람의 인슐린 유전자를 플라스미드에 정밀하게 붙여 넣습니다. 이렇게 완성된 유전자 재조합 플라스미드를 열 자극이나 전기 자극 등을 통해 대장균 내부로 침투시키는 형질전환 과정을 거치게 되는 것이랍니다.
■ 대량 발효 배양 및 단백질 발현
유전자가 성공적으로 도입된 대장균은 거대한 대량 배양 장치인 발효조에서 폭발적으로 증식해요. 대장균은 20분마다 수가 배로 늘어날 정도로 증식 속도가 매우 빠른 미생물입니다. 산소와 영양분이 풍부하게 공급되는 대형 발효조 안에서 유전자 재조합 대장균이 수십억, 수조 마리로 늘어나면서, 자신의 DNA와 함께 들어간 사람의 인슐린 유전자의 정보에 따라 인슐린 단백질을 대량으로 만들어내지요. 지구상의 모든 생물은 DNA의 염기서열 정보를 바탕으로 단백질을 만드는 생명 언어(유전 암호)를 공통으로 사용하기 때문에, 대장균도 사람의 유전자 정보를 읽고 사람과 완전히 동일한 아미노산 배열을 가진 인슐린 단백질을 합성할 수 있는 것이랍니다.
■ 단백질 분리 정제 및 인슐린 활성화
대장균이 만든 단백질을 모아서 인간의 몸에 직접 투여할 수 있는 완성형 인슐린으로 가공하는 정제 단계가 진행됩니다. 대장균을 파쇄하여 내부에서 합성된 인슐린 단백질 전구체를 추출해 내는데요. 이때 대장균 내부에서 만들어진 단백질은 아직 불완전한 상태이거나 대장균 자체의 다른 단백질과 섞여 있으므로, 화학적, 효소적 처리 과정을 거쳐 불순물을 철저히 제거합니다. 이후 A사슬과 B사슬을 이황화 결합으로 정밀하게 연결하거나 프로인슐린에서 불필요한 고리 부위를 효소로 잘라냄으로써, 사람 몸속 인슐린과 100% 동일한 입체 구조와 생물학적 활성을 갖춘 순수 인슐린 단백질을 완성하게 된답니다.
■ 동물 추출 인슐린 대비 유전자 재조합 기술의 장점은..
유전자 재조합 대장균을 통한 생산 방식은 기존 방식의 한계를 완벽하게 극복해 주었어요. 1980년대 이전에는 소나 돼지의 췌장에서 인슐린을 추출했으나, 소 8톤이나 돼지 수만 마리에서 얻을 수 있는 인슐린 양이 매우 적어 공급이 늘 부족했습니다. 또한 동물의 인슐린은 사람의 인슐린과 아미노산 서열이 약간 달라 면역 거부 반응이나 알레르기 부작용을 일으키기도 했습니다. 반면에 대장균을 이용한 생산 기술은 비용을 획기적으로 줄이면서 대량생산이 가능하며, 사람과 완전히 동일한 구조의 인슐린을 공급하므로 면역 부작용 없이 안전하게 사용할 수 있답니다.
정리하자면,
대장균을 이용한 인슐린 대량생산은 사람의 인슐린 유전자를 대장균 플라스미드에 붙이는 유전자 재조합 기술을 거쳐, 대장균을 발효조에서 대량 증식시키고 이들이 만든 단백질을 추출 및 정제하여 사람과 완전히 동일하고 안전한 인슐린을 대량으로 얻어내는 생명공학 기술이랍니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
대장균을 이용한 인슐린 생산은 유전자 재조합 기술을 바탕으로 하고 있습니다.
사람과 대장균은 동일한 DNA 유전 코딩을 사용합니다. 그래서 사람의 DNA 내용을 대장균도 읽어낼 수 있죠.
먼저 사람의 세포에서 인슐린 제조 DNA를 제한효소로 잘라냅니다. 그리고 대장균의 고리형 DNA인 플라스미드를 자른 뒤, 인슐린 유전자를 붙이고, 유전자가 재조합된 플라스미드를 대장균 안으로 집어넣습니다.
그럼 이 대장균을 발효 탱크에 넣으면 20분마다 증식하며 인슐린을 찍어내는 것입니다.
이후 대장균에서 다른 성분을 제거하고 순수 인슐린만 추출하는 정제과정을 거처 인슐린을 얻는 것이죠.
참고로 이런 방식은 과거 돼지나 소 같은 동물의 췌장 추출 방식과 달리 사람 인슐린과 100% 동일해 부작용이 없습니다.