mRNA 기술의 이해(4) mRNA, 그리고 mRNA 백신

[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. mRNA 기술을 왜 혁명적이라고까지 하는지를 이해하기 위해 이번 포스팅에서는 mRNA와 mRNA 백신에 대해 알아보겠습니다.

글의 순서

메신저 RNA = messenger RNA = mRNA = 전령 리보핵산정
mRNA가 만들어지는 과정
시험관 안에서 mRNA를 합성하는 기술로 만들어낸 mRNA 백신
백신의 종류와 mRNA 백신의 특징

메신저 RNA = messenger RNA = mRNA = 전령 리보핵산

mRNA는 전령 리보핵산(messenger Ribo Nucleic Acid)의 줄임말입니다. mRNA는 1961년 케임브리지 대학의 시드니 브레너 교수가 “단백질 합성을 위한 정보를 유전자에서 리보솜으로 전달하는 불안정한 중간물질”이라는 논문으로 ‘네이처’에 발표하면서 세상에 알려졌습니다. 여기서 ‘불안정한’에 집중해야 합니다. mRNA는 불안정하다는 특징으로 인해 DNA나 단백질 연구에 비해 늦게 발전했습니다.

mRNA는 불안정하다는 특징은 RNA의 구조로부터도 알 수 있습니다. ‘mRNA 기술(2)‘에서 DNA와 비교한 적이 있는데요. 다시 잠깐 살펴보겠습니다. DNA 사슬(사다리의 디딤대에 비유)이 2개 염기의 수소 결합으로 이루어진 반면, RNA는 1개의 염기만 있습니다. 모양은 마치 사다리의 버팀대를 따라 세로로 쪼갠 모양입니다. DNA를 닫힌 지퍼에 비유하기도 하는데요. RNA는 열린 지퍼의 한쪽 이라고 보시면 됩니다. DNA와 RNA의 형태를 비교해 보면 짐작할 수 있듯이 RNA는 DNA에 비해 매우 불안정합니다.

mRNA가 만들어지는 과정

‘mRNA 기술(3)‘에서 단백질 합성 과정에 대해 알아봤습니다. 단백질 합성의 첫 번째 단계가 DNA의 유전정보를 받아 적는 전사(transcription)인데, 이 과정에서 mRNA가 만들어집니다. 다시 간단히 정리해 보겠습니다.

2개의 염기가 결합되어 있던 DNA의 일부에서 결합이 끊어지는데, 이 상보적 결합을 끊는 것은 RNA 중합효소(polymerase, 합성효소)입니다. RNA 합성효소는 DNA의 상보적 결합을 끊어 이중 나선을 풀기 시작하며, 풀린 곳부터 전사가 시작됩니다. RNA 합성효소는 이 한 가닥의 DNA 염기에 상보적으로 결합되는 RNA를 만들어냅니다.

시험관 안에서 mRNA를 합성하는 기술로 만들어낸 mRNA 백신

mRNA 백신은 2020년 새롭게 개발되었으며, 전 세계 여러 나라에서 허가를 받아서 사용되고 있습니다. 이러한 mRNA 기술을 혁명적인 기술이라고 합니다. 왜 혁명적이라고 할까요?

mRNA는 시험관 안에서 IVT(In Vitro Transcription)라는 방법을 통해 합성할 수 있습니다. RNA 백신을 만들기 위해서는 박테리아를 이용하여 DNA를 대량으로 생산한 후 정제과정을 거칩니다. 이렇게 정제된 DNA와 RNA 중합효소를 이용하여 IVT로 mRNA 백신을 합성합니다. mRNA 백신을 합성한 후에도 정제하는 과정을 거치게 됩니다.

IVT라는 방법은 모든 환경을 제어할 수 있는 화학반응을 이용합니다. 그렇기 때문에, 불순물이 거의 없도록 mRNA 백신을 만들 수 있고, 다른 백신에 비해 부작용의 가능성도 낮습니다.

백신의 종류와 mRNA 백신의 특징

가공한 병원체의 종류가 무엇인지에 따라 백신의 종류를 3가지로 구분할 수 있습니다. 3가지 백신의 종류는 각각, 바이러스 백신, 바이러스 벡터 백신, 핵산 백신입니다. 비활성화된 병원체를 이용한 것이 바이러스 백신이며, 병원체의 표면 단백질의 유전정보를 운반체인 바이러스 벡터 안에 넣어서 몸 속에 주입하는 방식이 바이러스 벡터 백신입니다.

핵산(DNA, RNA) 백신은 바이러스 벡터를 사용하지 않고 유전물질을 직접 전달하는 방식입니다. mRNA 백신은 현재(2021년) 활발하게 사용되고 있는 반면, DNA 백신은 아직 출시되지 않았습니다. 또한 mRNA 백신은 코로나19를 예방하는 가장 뛰어난 의약품이면서 인체에 mRNA 기술을 적용한 첫 번째 사례입니다.

mRNA 백신은 바이러스를 운반체로 이용하지 않기 때문에 좀 더 효과적입니다. 또한, 핵산(DNA나 RNA)을 합성하는데 시간이 별로 안 걸리기 때문에, 다른 방식들 보다 훨씬 빠르게 개발할 수 있습니다. 그런데 mRNA는 세포안으로 들여보내기가 쉽지 않고, 쉽게 파괴되고 분해되는 특징이 있습니다. 이를 방지하기 위하여 mRNA 주위를 지질층으로 감싸게 됩니다. 안타깝게도 이 지질층은 불안정합니다. 그렇기 때문에 영하 수 십도의 초저온 상태로 보관하고 운송해야 합니다.

마치며 …

이번 포스팅에서는 mRNA와 mRNA 백신에 대해 알아보았습니다. mRNA는 1961년 케임브리지 대학의 시드니 브레너 교수가 “단백질 합성을 위한 정보를 유전자에서 리보솜으로 전달하는 불안정한 중간물질”이라는 논문으로 ‘네이처’에 발표하면서 세상에 알려졌습니다. 불안정하다는 것이 mRNA의 특징입니다.

IVT(In Vitro Transcription)라는 방법이 개발되어 mRNA를 합성할 수 있게 되면서 mRNA 기술이 빠르게 발전하고 있습니다. 대표적인 것이 mRNA 백신입니다. IVT라는 방법은 모든 환경을 제어할 수 있는 화학반응을 이용하므로, 불순물이 거의 없도록 mRNA 백신을 만들 수 있고, 덕분에 부작용의 가능성도 낮습니다. 이번 포스팅에서는 mRNA 기술의 개념 정도만 챙겨 주시기 바랍니다. 다음 포스팅에서 mRNA 기술을 구현하기 위해 넘어야 했던 장애물들과 mRNA 기술의 미래에 대해 얘기해보도록 하겠습니다.

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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
[3] 참고동영상 : Shela Caballero(2020), From DNA to protein 3D

mRNA 기술(4) mRNA, 그리고 mRNA 백신