“세라마이드는 화장품 소재로 성공한 대표 케이스”
“세라마이드는 화장품 소재로 성공한 대표 케이스”
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동국대학교 박장서 교수
동국대학교 박장서 교수

[더케이뷰티사이언스]   “두산에서 세라마이드(Ceramide) 사업이 단일품목으로 많이 늘었다고 한다. 국내에서 화장품 소재로 사업화해 성공한 대표적 케이스다. 세라마이드 연구가 더욱 의미가 있는 것은 요즘 환경적 부분으로 인해 ’지속가능한 소재의 개발‘이 이슈가 되고 있기 때문이다.”

지난 17일 서울과학기술대학교 100주년 기념관 대강당에서 열린 ’제 44차 대한화장품학회 정기총회 및 춘계학술발표대회‘에서 동국대학교 박장서 교수(더케이뷰티사이언스 감수위원)가 키노트 강연을 발표하며 이같이 말했다.

박장서 교수는 서울대 미생물학과를 졸업하고 두산에서 오랜 시간 맥주효모 연구를 하다 세라마이드를 개발했다. 퇴임을 앞둔 지금까지 세라마이드 연구에 매진하며 화장품 산업 발전에 큰 기여를 해왔다. 이날 강연에서는 그동안 연구해온 세라마이드를 중심으로 설명하는 시간을 가졌다. 이에 내용을 아래와 같이 정리한다.

먼저 스킨 배리어(Skin Barrier)에 대해 간단히 리뷰 하자면 피부는 표피, 진피, 각질층(Skin barrier)이 있다. 우리가 육안으로 피부 상태를 확인하는 것이 각질층에 의해 보이는 것이다. 1964년 클리그만(Kligman)박사에 의해 각질층(Stratum corneum)이 구조적 세포에 의한 조직임을 발견되어 처음으로 각질세포(Corneocyte)라는 명칭을 만들어냈다. 클리그만에 의해 각질층이 거의 육각형으로 굉장히 얇지만 단단하고 투명한 막(Membrane)이라는 것이 밝혀졌고, 수분이 있을 땐 유연하면서 촉촉하고 건조할 때는 거칠어진다는 것을 알아내면서 그만큼 보습이 중요하다는 인식이 생기게 됐다. 1980년 중반~1990년 초반에 걸쳐 피터 일라이스(Peter Elias)에 의해 비로소 스킨 배리어의 구조가 ‘벽돌과 모타르(Brick and Mortar)’로 밝혀지고 이때 몰타르 주 성분이 세라마이드임이 알려지게 되면서 전세계적으로 쓰여지게 되었다.

따라서 지금 정립된 스킨 배리어 구조는 ‘벽돌과 몰타르‘이며 몰타르가 벽돌사이를 메꾸는 시멘트(Cement)와 같이 세라마이드:콜레스테롤:지방산=1:1:1 분자비율의 멀티 라멜라 구조(Multi-lamellar structure)로 존재해 수분이 투과할 수 없는 수분 억제막을 형성하게 되는 것이다.

최근에 와서야 세라마이드가 여러 종류로 존재하는 것이 밝혀졌고, 2000년대 초반에 모델링을 통해3가지 리피드가 모두 존재해야 제대로 된 장벽 기능을 할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 즉, 스킨 배리어는 일종의 내추럴 쉴드(Natural Shield)인 것이다.

박장서 교수는 두산에 근무할 당시 △고향기 청주효모균주 △고향기 맥주효모균주 △효모균주(세라마이드 생산균주)를 출원하며 효모발효 세라마이드를 개발했다(1996년). 스핑고리피드(Sphingolipids) Long chain base에 수소(Hydrogen)가 붙으면 세라마이드, 포스포릴콜린(Phosphorylcholine)이 붙으면 스핑고마엘린(Sphingomyelin),당(Sugar)이 붙으면 세러브로사이드(Cerebroside)등이 된다. 보통 우리 피부에 존재하는 것은 뉴트럴 세라마이드(Neutral ceramide)이다.

한편 2005년 동국대로 옮기면서 말레이시아 국립공대 교수와 협력을 통해 전통 의약품(정부에서 지정한 약초)에 대한 연구를 시작했다. ‘Queen of plants’는 여성 산후조리 때 꼭 마시는 차(Tea)지만, 이외에는 연구된 결과가 없었기에 화장품 소재로 적용을 위한 발굴을 하고자 한 것이다. Labisia, Ficus Deltoidia는 노화(Anti-aging) 효능을 갖고Ficus Deltoidia의 경우 멜라닌 억제 효과도 확인했다.

세라마이드 연구는 2010년 글로벌코스메틱연구개발 사업단장으로서 2011년부터 재개할 수 있었다. ‘오메가하이드록시세라마이드(ω-Hydorxyceramide)'는 간접적 기능이 많이 알려져 있었는데, 아토피 환자에서 양이 많이 떨어져 있다던지, 바운드 리피드(Bound lipid), 피부 응집력(Cohesion) 등 생물학적 기능에 연관돼 있다. 이에 오메가하이드록시세라마이드를 합성하여 피부 회복 속도나 여러 생리활성이 발견되었다. 현재까지는 화장품 소재로서 사용하기에는 아직 연구가 더 필요하다고 언급했다.

세라마이드는 1990년대부터 소 뇌(Bovine Brain)에서 추출해 사용하다 1995년 영국에서 발생한 광우병으로 인해 동물성 사용이 금지됐다. 이 대신 식물에서 추출된 당세라마이드나 효모 발효를 통해 개발된 세라마이드 3(NP)와 합성 기술이 좋은 일본, 프랑스의 세라마이드2가 주류를 이루어 사용되고 있다. 그렇지만 모든 것이 Single based ceramide로, 박장서 교수는 여러 가지 아미노산을 가진 세라마이드가 필요하다고 제안했다.

실제 세라마이드 지방산 길이를 보면 24가 메인인데, 피부 부위에 따라 길이가 다르다. 그렇다면 Single based ceramide보다는 이들이 포함된 세라마이드가 낫지 않을까 생각한 것이다. 이에 세라마이드의 구성 및 체인 길이가 중요하다는 것을 알 수 있다.

또 파이토스핑고신(Phytospingosine)의 경우 대부분 연구되지 않았는데, 파이토스핑고신 처리하면 SPT, ELOVL 4, CERS 3, DES 2 4가지 주요 효소(Key enzyme) 발현을 증가시킴을 밝혀냈다. 새로운 피부 장벽 효능을 확인한 것이다. 파이토스핑고신은 벽돌 및 몰타르 형성에 모두 관여를 하는 핵심적인 역할을 한다.

이날 세라마이드에 대한 주요 연구를 설명한 박장서 교수는 퇴임 후 다시 술(막걸리) 연구를 할 계획이라고 밝혔다.

“가장 맛있는 막걸리를 만드는 것, 그리고 막걸리에 대한 효능을 탐색해 피부에도 좋은 기능성 막걸리를 만들고 싶은 목표가 있다. 막걸리 발효 과정 또한 굉장히 다양한 일이 일어나기 때문에 발굴할 내용이 무궁무진하다는 특징이 있다”고 말했다.

강연을 마치며 박장서 교수는 “개인적으로 여러 가지 면에서 행운이 많이 따랐다. 특히 보건복지부에서 2010년부터 2018년까지 지원해준 사업단장 직책을 통해 많은 기회로 좋은 분들을 만났다. 앞으로도 화장품 산업의 전체 연구 능력이 더 활성화되어 향상될 수 있도록 기여를 할 계획이다”고 말했다.

KAIST 남윤성 교수(왼쪽), 경북대학교 부용출 교수(오른쪽)
KAIST 남윤성 교수(왼쪽), 경북대학교 부용출 교수(오른쪽)

이날 키노트 강연 이후에는 △Engineering Bio-interfaces for Materials Design and Assembly(KAIST 남윤성 교수)와 △세상에서 제일 작은 고효능 미백 펩타이드의 발견(경북대학교 부용출 교수)의 강연이 이어졌다.

KAIST 남윤성 교수(더케이뷰티사이언스 편집위원)는 진행중인 연구를 바탕으로 화장품 산업에 아이디어를 접목할 수 있는 '새로운 나노소재의 디자인'을 발표했다. 새로운 소재를 개발하는 여러 방법이 있으며 그 중 형성된 한가지 축은 굉장히 많은 발전을 이룬 하이브리드 복합소재에 관련된 연구다. 대표적 예로 사는 곳의 풍부한 먹이에 따라 부리가 다른 다윈의 핀치(Darwin’s finches)에 대해 칼슘 신호분자인 칼모듈린(Calmodulin)발현을 조절하면 무기물질(부리) 형태를 변화시킬 수 있다는 것이 밝혀진 결과가 있다.

“기본적으로 생체분자(Biomolecule)에 무기소재를 어떻게 결합 및 조합 시키는지에 따라 이전과는 다른 새로운 특성을 찾아낼 수 있다는 것이 핵심 메시지”라고 설명했다. 또 “생체분자와 합성물질간의 인터페이스 연구로 새로운 기능을 가진 나노소재의 디자인 및 합성을 위한 좋은 툴을 제시한 것이다”고 덧붙였다.

경북대학교 부용출 교수는 효율적인 PS-SCL(Positional scanning synthetic peptide combinatorial library) 스크리닝 방법으로 멜라닌 억제 활성이 강한 테트라-펩타이드(Tetra-peptide)를 발견했다. 이 활성 펩타이드와 α-MSH 서열의 공통점을 발견함에 따라, 이 작은 미백 활성 펩타이드가 MC1R(Melanocortin 1 receptor)에 결합하면 α-MSH는 수용체에 결합할 수 없어 멜라닌 합성을 유도하는 세포신호전달이 억제된다. 1개의 글라이신(Glycine) 잔기로 이루어진 모노-펩타이드(Mono-peptide) G1인 글라이신아미드(Glycinamide)는 세상에서 제일 작은 펩타이드이면서 세포독성이 없고 멜라닌 합성을 억제하는 활성 또한 알부틴의 20배 이상 강력하다. 이 펩타이드의 피부 안전성 및 유효성에 대한 임상실험을 진행하고 있으며, 펩타이드는 차세대 바이오 의약품과 화장품 소재로 주목받고 있는 것과 같이 피부색소침착에서의 치료발전을 기대한다고 말했다.

을지대 이창석 교수
을지대 이창석 교수

오후 세션은 100주년 기념관과 테크노큐브(TechnoCube)동 12층 큐브홀에서 나뉘어 진행됐다. 초청 연사로는 카이스트 남윤성 교수를 비롯, 포항공과대학교(포스텍) 이효민 교수, 한양대학교 신경희 교수와 김진웅 교수가 나섰다.  참석한 대부분의 연구원들은 오후 세션의 마지막 발표까지 자리를 뜨지 않았다.

100주년 기념관에서는 △The Whitening and Skin-moisturizing Efficacy of Mannosylerythritol Lipids in Human Epidermal Cells(이창석, 을지대학교) △한방 피부 변증에 따른 피부타입 연구-음허(민서림, LG생활건강) △16-kauren-2b-18,19-triol Inhibits Melanosome Transport in Melanocyte by Reducing Melanophilin Expression(명철환, 경희대학교) △피부 항노화를 위한 차세대 SKB 바이오 더모바이오틱스(이승훈, SK 바이오랜드) △Immunomodulatory Effect of Bio-Converted Extract of Ginseng Berry from Panax Ginseng C.A. Meyer(김광미, 단국대학교, 더케이뷰티사이언스 편집위원) △Ecklonia cava Extract and Dieckol Attenuate PGE2 Production in HaCaT Keratinocytes Exposed to PM10(하재원, 경북대학교) △HeritaGEL™ Red Ginseng의 피부 노화 개선 효과(김예향, SK 바이오랜드) △Melasolv, 피부색 연구의 흐름과 발전의 기록(최현정, 아모레퍼시픽) △Beneficial Effect of Coumestrol on The Psychological Stress-induced Skin Barrier Dysfunctions through Inhibition of 11β-hydroxysteroid Dehydrogenase Type 1(최응호, 연세대학교 원주의과대학) 등 9편이 발표됐다.

특히 을지대학교 이창석 교수는 ‘MELs(Mannosylerythritol Lipids)의 화장품으로서의 효능’에 대한 연구를 발표했다. 바이오계면활성제(Biosurfactant)의 종류 중 하나인 MELs은 효모군에서 추출된 물질로 다양한 구조와 기능이 지속적으로 발견되고 있다. 제형에 대해서는 많은 연구로 입증이 되어 잘 알려진 바 있지만, 효능에 대한 연구는 보습, 헤어 리페어, 항염 등 계속해서 발굴되고 있는 상황이다. 이 교수 연구팀은 케라틴 세포에서 UV-A에 의한 아쿠아포린(Aquaporin)-3 감소를 억제함을 확인함으로써 MELs의 잘 알려진 보습 기능에 대한 메커니즘을 최초로 규명하였다. 또 'ERK-CREB-MITF-Tyrosinase' 신호전달 억제의 결과로 멜라닌 합성을 감소시키게 되는 MELs의 새로운 미백 효능을 규명하기도 했다. 이러한 결과를 통해 이 교수는 “생성 단가도 낮은 MELs이 제형과 약리 효능을 동시에 구현하는 화장품 원료로서 가치가 높아질 것”이라고 덧붙였다.

테크노큐브동에서는 △Microfluidic Fabrication of Functional Microcapsules and Recent Developments in Production Scale-up(이효민, 포항공과대학교) △2,3-Butanediol : A Natural, Safe, Moisturizing and Preservative-boosting Polyol(박종명, GS칼텍스) △Development of The Hybrid Micro Powder and Application to Pressed Powder(이언엽, 한국콜마) △Structurally Stable Attractive Nanoscale Emulsions for Enhanced Dermatological Bioefficacy(신경희, 한양대학교) △Unprecedented Radical Scavenging of 2D Transition Metal Dichalcogenides(김진웅, 한양대학교) △Establishment of Senescence-associated Pigmentation Model in Human Melanocytes and its Application to The Verification of Whitening Substances(조은경, 아모레퍼시픽) △Skin Penetration and Physicochemical Properties of Elastic Liposome by Edge Activator(홍인기, 한국콜마) △양이온 폴리머와 계면활성제의 조성 및 특성에 따른 모발 컨디셔닝 효과(박현섭, LG생활건강) △Test Method to Evaluate Preventive Effect Against Fine Dust on Skin(이재선, 피앤케이피부임상연구센터) 등 9편이 소개됐다.

초청연사로 발표한 포항공과대학교(포스텍) 화학공학과 이효민 교수는 대구한의대학교 화장품공학부 최창형 교수, 미국 하버드대학교 데이비드 웨이츠(David Weitz) 교수와 공동연구한 미세유체기술(Droplet Microfluidics)을 소개했다. 이 논문은 영국왕립화학회 발간 국제 학술지 케미컬 소사이어티 리뷰(Chemical Society Reviews)의 내부 표지(Inside front cover)로 선정된 바 있다.

이날 참석한 연구원들은 피앤케이피부임상연구센터의 미세 먼지 시험범에 많은 관심을 보였다. 피부임상연구센터 이재선 수석연구원은 "미세먼지 증가에 따라 화장품 업계는 미세먼지 방지 혹은 안티폴루션(Anti-Polution)을 위한 신제품 개발이 늘고 있지만 이를 검증하기 위한 시험법이 마련되지 않아 실제 안티폴루션 제품의 효능을 평가하기에는 한계가 있다"면서 "미세먼지 차단 기능이 있는 화장품의 효과 검증에 대한 표준 시험법이 필요하다"고 강조했다.

한편, 이번 학술대회에서는 더케이뷰티사이언스에 게재된 내용도 소개됐다. 경북대학교 부용출 교수의 '세상에서 제일 작은 고효능 미백 펩타이드의 발견'은  더케이뷰티사이언스 2019년 3월호, GS칼텍스 박종명 박사의 '2,3-Butanediol : A Natural, Safe, Moisturizing and Preservative-boosting Polyol'는  더케이뷰티사이언스 2019년 5월호에 실려 있다.

 

 

 

 

 



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