코로나19 바이러스가 표면의 스파이크 돌기 부분에 존재하는 RBD 단백질(붉은색)을 통해 인간 세포 표면에 존재하는 hACE2 수용체 단백질(푸른색)과 결합해 감염시키는 과정을 설명한 이미지. /자료제공=DGIST국내 연구진이 슈퍼컴퓨터로 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 치료제 후보물질들을 정밀 설계하고 생산하는 데 성공했다. 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 활용해 기존의 코로나19 치료제 개발 개념을 완전히 바꾼 것이다. 이를 통해 우리나라가 코로나19 치료제 개발법의 신기원을 열고, 양산 전 과정을 완전 자립화하는 데 한 발짝 더 다가선 것으로 보인다.
대구경북과학기술원(DGIST)은 본원에서 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터장 겸 핵심단백질자원센터장을 맡고 있는 장익수 교수가 이 같은 연구성과를 냈다고 29일 밝혔다. 또한 장 교수가 디자인한 11가지 치료제 후보 인공단백질들의 생산공정 확립, 자체 생산 및 중화기능 분석과 인간 세포독성 분석을 완료하고 특허 출원도 진행했다고 덧붙였다.
장 교수는 슈퍼컴퓨팅 시뮬레이션을 이용해 인공단백질들을 원자 크기 수준까지 정밀하게 설계했다. 그 결과 코로나19 바이러스가 인간 세포에 달라붙지 못하도록 하는 11가지 인공단백질 후보물질들의 아미노산 서열 및 3차원 구조를 디자인할 수 있었다. DGIST는 이번 연구성과에 대해 “연구개발 및 치료제 생산의 모든 과정이 국내 독자적 원천기술에 기반을 두고 있어 향후 글로벌 시장에서 주도권 확보 가능할 것으로 기대된다”고 평가했다.
현재 전 세계적으로 코로나19 치료제 개발 방식은 4가지 형태로 진행되고 있다. 기존에 다른 용도로 개발됐던 약물을 코로나19용으로 응용하는 ‘약물 재창출’, 완치자 혈액 속 항체를 이용하는 ‘혈장 치료제’, 세포주를 이용해 코로나19 바이러스에 반응하는 항체를 개발하는 ‘항체 치료제’, 화학합성 물질을 이용한 ‘신약 개발’ 방식이다. 이들 네 가지 방식 중 아직 코로나19 치료제를 완성한 경우는 없으며 각각 비용·개발기간 등의 측면에서 장단점을 갖고 있다.
이에 따라 DGIST 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터 연구진은 기존의 4가지 방식과는 전혀 다른 방법으로 치료제 개발에 나서게 됐다. 물질을 원자 크기 수준까지 디자인할 수 있는 슈퍼컴퓨팅 시뮬레이션 기법과 통계열역학 및 생물물리학 기법 이용한 것이다. 그 결과 코로나19 바이러스가 숙주세포에 달라붙을 때 마치 빨판처럼 사용하는 바이러스 표면의 스파이크 돌기 RBD 단백질이 인간 세포의 hACE2 수용체 단백질에 결합하지 못하도록 하는 인공단백질 11종을 3차원 입체 디자인으로 원자급 크기까지 정밀 설계할 수 있었다. 이어서 이들 11가지 치료제 후보 인공단백질들에 대해 구조적, 열역학적 및 면역원성적 안정성에 대한 계산과학적 검증을 마쳤다.
DGIST연구진이 디자인한 치료제 후보물질인 ‘PEP9’ 인공단백질의 단량체 및 이량체가 코로나19 바이러스의 돌기 부분에 존재하는 RBD 단백질(빨간색)에 결합해 인간 세포 표면에 있는 hACE2에 결합하지 못하도록 중화 작용하는 도식도./자료제공=DGISTDGIST 핵심단백질자원센터 연구진은 슈퍼컴퓨팅 디자인된 치료제 후보 인공단백질의 클로닝, 발현, 정제, 생산 공정을 개발하고 자체 생산을 진행했다. 그 결과 현재 총 11가지 단백질 중 7가지는 고순도 생산을 완료했고, 나머지 4가지는 곧 생산 완료될 예정이다. 생산된 단백질들에 대해서는 고급 질량(MALDI-TOF, Q-Exactive, Q-TRAP) 분석과 원편광 이색성(Circular Dichroism) 분석을 실시해 단백질의 질량, 아미노산 서열의 정상 여부 및 단백질 2차 구조의 안정성을 확인했다.
연구진은 이번에 생산한 치료제 후보 인공단백질과 코로나19 바이러스 스파이크 돌기 RBD 단백질 사이의 결합 상수를 미세규모 열영동(MicroScale Thermophoresis) 실험을 통해 측정했다. 그 결과 스파이크 돌기 RBD 단백질을 중화하는 기능을 보유함을 확인했다. 해당 인공단백질들이 인간 세포 hACE2 수용체 단백질과 스파이크 돌기 RBD 단백질 사이에 기존에 알려진 결합 상수와 비교해 유사하거나 더 강하게 스파이크 돌기 RBD 단백질에 결합하는 것을 입증한 것이다. 이를 통해 생산된 치료제 후보 단백질들이 또한 생산된 인공단백질 중에 PEP9 단백질을 6가지 인간(배아 신장, 간, 뇌 면역, 폐, 신장, 폐암) 세포주에 투여해 독성이 발생하지 않아 안전성을 확보했다.
장익수 DGIST 교수/사진제공=DGIST장 교수는 “DGIST 연구진이 개발한 코로나19 치료제 후보 단백질들의 효능을 검증하기 위해 곧 BSL3급의 코로나바이러스 실험 및 전 임상 실험을 실시할 계획”이라고 설명했다. 또한 “앞으로 진행될 세포주, 동물 및 인간에서 코로나19에 대한 치료제 후보 단백질의 효능분석 연구의 결과에도 큰 기대를 갖고 있으며 이를 위해 정부·과기계 및 민간의 적극적인 공동연구개발 참여와 지원이 필요하다”고 밝혔다.
