mRNA 기술의 이해(5) mRNA 기술의 현재와 미래
[작성일 : 2021년 8월 1일]
코로나19 팬데믹이 지속되고 있습니다. 다행히도 바이러스를 진단하는 기술, 예방하는 기술, 그리고 치료하는 기술도 빠르게 발전하고 있습니다. 이 중 바이러스를 예방할 수 있는 기술로는 mRNA 백신이 대표적인데, 혁명적인 기술이라고 합니다. 이번 포스팅에서는 mRNA 기술을 왜 혁명적이라고 까지 하는지를 알아보겠습니다.
글의 순서
mRNA 백신 개발의 어려움을 극복한 혁명적인 기술
LNP 속에 있던 mRNA가 세포질로 들어가는 과정
빠른 백신 개발을 가능하게 하는 mRNA 기술
mRNA 기술의 미래
mRNA 백신 개발의 어려움을 극복한 혁명적인 기술
mRNA 백신은 2020년 새롭게 개발되었으며, 전 세계 여러 나라에서 허가를 받아서 사용되고 있습니다. 이러한 mRNA 기술을 혁명적인 기술이라고 합니다. 왜 혁명적이라고 까지 하는 것일까요? 그 이유를 좀 더 구체적으로 살펴보겠습니다.
▶ mRNA를 몸에 넣었을 때 발생하는 선천면역 반응의 극복
외부에서 들어온 mRNA를 병원체로 보고 mRNA가 작동하지 못하도록 면역반응이 일어나는데요. 이렇게 되면 mRNA로부터 스파이크 단백질을 합성하지 못하게 됩니다. 이를 극복하기 위해 선천면역을 일으키는 단백질들에 대해 연구하였습니다. 연구의 결과로 선천면역과 관련된 단백질들이 어떻게 외부에서 들어온 mRNA와 우리 몸에서 만든 mRNA를 구분할 수 있는지를 알아냈습니다. 이를 바탕으로 선천면역 반응을 일으키지 않는 mRNA를 합성하는 데 성공하였는데, 이 방법이 현재 코로나19 mRNA 백신을 만든 핵심 기술 중 하나입니다.
▶ 지질 나노입자를 mRNA 백신 전달체로 사용
불안정한 mRNA를 주사했을 때, mRNA가 손상되지 않고 세포까지 전달되려면, mRNA를 보호해줄 물질이 필요합니다. 왜냐하면 우리 몸에는 mRNA를 분해하는 효소가 많기 때문입니다. mRNA는 음이온이 너무 많아서 지질 이중층으로 구성된 세포막을 통과하기가 쉽지 않은데, siRNA 전달 방법을 개발하여 이를 극복하였습니다. siRNA 전달 방법은 2018년 미국 식품의약국 (FDA, Food and Drug Administration)의 허가를 받았습니다.
siRNA(small interfering RNA)는 짧은 간섭 RNA 라고 번역할 수 있는데, siRNA 기술은 세포 내에서 특정 유전자의 활동을 억제하기 위해서 개발된 것입니다. siRNA 기술은 1998년 처음 개발되었는데, 임상에는 활용하지 못하다가 지질 나노입자가 개발되어 실제로 사용할 수 있게 되었습니다.
2018년 LNP(Lipid Nano Particle)에 싸여진 siRNA가 미국 FDA 승인을 받았는데, 이 기술을 이용하여 mRNA를 LNP로 감쌀수 있었으며, 이것이 mRNA 백신으로 발전하게 되었습니다. siRNA 전달 기술이 먼저 발전할 수 있었던 것은 siRNA가 mRNA에 비해 크기가 작고, 이중가닥으로 구성되어 더 안정적인 구조였기 때문이었습니다.
LNP 속에 있던 mRNA가 세포질로 들어가는 과정
LNP는 이온화지질, 구조지질, 콜레스테롤, 친수성 PEG 지질 등으로 구성되어 있습니다. 이 중 핵심이 이온화지질입니다. 이온화지질은 중성 pH에서는 독성이 없는 중성으로 존재하다가, 세포에 들어갈 때 엔도솜이 만들어지면서 양이온 지질로 바뀌게 됩니다. 이때 엔도솜 내부에 있는 음이온 지질과 짝을 이루면서 엔도솜의 지질이중막 구조가 허물어집니다. mRNA는 세포질로 자연스럽게 들어가게 됩니다. 이후에는 리보솜에서 스파이크 단백질을 합성하는데 사용됩니다.
빠른 백신 개발을 가능하게 하는 mRNA 기술
백신을 빠르게 개발할 수 있다는 것이 mRNA 백신 기술의 큰 장점입니다. 기존의 백신은 바이러스 표면에 있는 단백질을 유전자 재조합을 통해 개발하였습니다. 이렇게 개발하고 나면 백신을 체내로 전달하는 방법도 개발해야 했고, 그 독성도 확인해야 했습니다. 결과적으로 개발 후에도 실제로 백신을 사용하는데 까지 많은 시간과 비용이 필요했습니다.
그런데, 원래 우리 몸에 있던 분자인 mRNA는 쉽게 분해되기도 하고 독성도 거의 없습니다. mRNA를 이용한 의약품은 화학적 성질이 거의 같아서, mRNA를 세포로 전달하는 기술이 한번 만들어지고 나면 재사용이 가능합니다.
새로운 기능을 갖도록 서열만 바꿔주는 방법으로 기존의 mRNA를 새로운 병원체에 대응할 수 있는 백신으로 다시 개발할 수 있습니다. 예를 들어 독일의 바이온텍은 mRNA를 이용한 항암치료제를 개발하고 있었는데, 코로나19 바이러스의 유전체 서열이 공개되자 mRNA 백신을 개발했고, 1년 만에 사용 허가를 받았습니다. 미국의 모더나도 마찬가지입니다. 모더나도 mRNA 백신을 2020년 1월에 개발하기 시작한 후, 12월에 사용 승인을 받았습니다. 빠른 개발 속도가 mRNA 기술의 핵심 중 하나입니다.
mRNA 기술의 미래
mRNA를 살아있는 동물에 주입하여 세포 스스로 외부의 단백질을 생산하도록 하는 방법은 1990년 처음 시작되었습니다. 코로나19 백신, 독감백신, 지카 바이러스 백신뿐만 아니라 항암치료제로도 개발되었지만, 코로나19 백신만 미국 FDA의 허가를 받았습니다.
mRNA 기술은 플랫폼 기술로써 개발과정이 짧습니다. mRNA 플랫폼 기술은 백신뿐만 아니라 각종 질병에 대한 해결책을 제시할 수 있을 것으로 보입니다. 나아가 인간의 노화 현상을 조절하고 다시 젊어질 수 있도록 하는 기술로도 기대해 볼 수 있을 것입니다. 종합해보면 mRNA 기술은 세포수준의 조절이 가능해지는 미래 의학 기술의 기반이 될 전망입니다.
마치며 …
이 포스팅에서는 mRNA 기술을 혁명적인 기술이라고 하는 이유를 알아보았습니다. 크게 2가지 이유가 있습니다. 첫 번째는 mRNA를 몸에 주입했을 때 발생하는 선천면역 반응을 극복한 과정 때문이며, 두 번째는 불안정한 mRNA 백신 전달체를 개발했기 때문입니다.
백신을 빠르게 개발할 수 있다는 것이 mRNA 백신 기술의 큰 장점입니다. 새로운 기능을 갖도록 서열만 바꿔주는 방법으로 기존의 mRNA를 새로운 병원체에 대응할 수 있는 백신으로 다시 개발할 수 있습니다. mRNA 기술은 백신뿐만 아니라 각종 질병에 대한 해결책을 제시할 수 있을 것으로 보입니다. 이 기술은 세포수준의 조절이 가능해지는 미래 의학 기술의 기반이 될 전망입니다.
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참고자료
[1] BRENNER, S., JACOB, F. & MESELSON, M. An Unstable Intermediate Carrying Information from Genes to Ribosomes for Protein Synthesis. Nature 190, 576–581 (1961). https://doi.org/10.1038/190576a0
[2] 조규봉(2021), mRNA 백신의 화학적 원리와 구조. 과학과 기술, Vol 626. pp.62-65