화이자·모더나 개발원리 `mRNA`…어떻게 감쪽같이 바이러스 흉내낼까
DNA처럼 유전정보 담아
단백질 합성하는 `설계자`
코로나의 인체 공격 수단인
`스파이크 돌기` 정보만 빼내
체내 들어가 바이러스 행세
면역항체 형성되도록 유도
바이러스 정체만 밝혀지면
백신·치료제 신속 개발 가능
맞춤형 암치료에도 활용 전망
구조 불안정, 상온서 쉽게 분해
지질막으로 정밀하게 감싸야
코로나19 대확산으로 전 국민을 넘어 전 세계인이 알게 된 용어가 있다. mRNA다. 화이자·모더나 등 mRNA 방식 백신이 개발되며 'mRNA'의 존재가 대중에게 널리 알려지기 시작했다. mRNA 백신은 코로나19 백신으로 처음 개발됐음에도 예방효과가 높고 상대적으로 부작용이 적다는 평가를 받으며 가장 '인기 있는' 백신이 됐다.
그렇다면 mRNA란 도대체 무엇일까. mRNA를 알기 위해서는 먼저 RNA에 대해 알아야 한다. RNA(리보핵산)란 DNA(데옥시리보핵산)와 함께 우리 몸의 대표적인 유전물질이다. mRNA는 RNA 중에서도 전달자(messenger) 역할을 해 '메신저 RNA' '전령 RNA'라고 불린다.
DNA는 단순하게 표현하면 '생명의 설계도'다. 생명체를 구성하는 기본 단위인 세포의 핵 속에 들어 있으며, 개개인마다 다른 고유의 유전 정보를 담고 있다. 유전 정보란 인간의 몸속 장기를 포함해 머리끝부터 발끝까지 모든 모습과 조직을 어떻게 구성해야 할지에 대한 정보다. 즉 DNA에는 우리 몸에 필요한 단백질을 적재적소에 만들어내기 위한 정보가 담겨 있고, 이 정보가 단백질공장(리보솜)에 전달되면 단백질이 만들어진다.
mRNA는 핵 속에 있는 DNA의 생명 설계도 중 필요한 유전 정보를 복사하고 해석한 뒤 이를 세포핵 밖으로 가지고 나와 단백질공장에 전달하는 역할을 맡는다. mRNA가 가져온 정보를 토대로 단백질공장은 단백질 구성물질인 아미노산을 소환하고, 이 아미노산을 설계도에 맞게 조합해 단백질을 만들어낸다. mRNA 백신은 이렇게 우리 몸이 단백질을 만드는 과정을 활용한 백신이다. 바이러스의 단백질 정보를 담은 mRNA를 몸속에 주입하면 우리 몸은 앞서 말한 과정을 통해 바이러스 단백질을 만들어낸다. 이렇게 만들어진 바이러스 단백질을 인체는 '바이러스 침입'이라고 착각하고, 이를 무찌르는 항체를 만들어낸다.
▶ 여기를 누르시면 크게 보실 수 있습니다
코로나19 mRNA 백신은 코로나19 바이러스의 스파이크 단백질의 유전 정보를 담은 mRNA를 몸에 주입한다. 코로나19 바이러스 표면은 스파이크 단백질이라고 불리는 뾰족한 돌기로 싸여 있는데, 이 스파이크를 통해 인체 세포에 달라붙는다. 인체 세포에 달라붙은 바이러스는 체내에서 증식하며 염증 등을 비롯해 각종 감염 증상을 일으킨다. mRNA 백신 접종을 통해 만들어진 항체는 바이러스가 인체 세포에 달라붙기 전 먼저 바이러스의 스파이크에 달라붙어 인체를 보호한다. 항체와 결합한 바이러스는 다른 면역세포의 공격을 받아 파괴된다.
mRNA 백신은 사슬 구조로 이뤄진 mRNA 분자와 이 분자를 둘러싼 지질층으로 이뤄져 있다. 지질층은 mRNA가 세포 안으로 들어갈 수 있도록 돕는 역할을 한다. 지질층은 '지질 나노입자(Lipid nano particle·LNP)'라고 불린다. mRNA가 단백질을 만들기 위해서는 단백질공장인 리보솜이 있는 세포 안으로 들어가야 하지만, 그 과정에서 많은 난관에 봉착한다. 전하를 띠고 있으면서 분자량이 크기 때문에 세포막을 통과해 세포 안으로 들어가기 쉽지 않다. 또한 우리 몸에 존재하는 RNA 분해효소로 인해 표적에 도착하기도 전에 파괴될 가능성도 있다. 이 문제를 해결하지 않으면 외부에서 만든 mRNA를 체내에서 발현하게끔 만들 길이 없다. 이 때문에 RNA를 보호하고 세포로 전달하는 기술을 개발하기 위해 많은 연구자들이 연구를 해왔고 이 결과 나온 기술이 바이러스 입자와 비슷한 크기인 지름 100㎚ 정도의 LNP다.
그간 백신을 개발하려면 바이러스 등의 병원체를 사용해야 했다. 현재 예방접종에 사용되고 있는 백신 대부분은 죽인 상태의 바이러스를 인체에 투입하는 '불활화 바이러스 백신(사백신)'이거나 병원성을 크게 낮췄지만 아직 살아 있는 바이러스인 '약독화 생백신'이다. 이들 백신은 병원성 세포 자체를 주사하는 방식이기 때문에 '전(全)병원체 백신'이라고도 불린다. 바이러스는 스스로 자랄 수 없기 때문에 이를 '키워주는' 배양 과정이 필요하다. 즉 바이러스가 잘 자라날 수 있는 조건을 갖춘 세포 안에서 바이러스를 키우는 것을 배양이라고 보면 된다. 하지만 mRNA 기반 기술은 이러한 배양 과정이 필요없다. 화이자의 백신 개발 책임자인 캐서린 얀센 박사는 외신과의 인터뷰에서 "mRNA 기반 기술은 본질적으로 '합성'에 기초해 매우 신속하게 만들 수 있는 분자물질"이라고 밝혔다.
mRNA 백신은 코로나19 백신으로 처음 세상에 등장했지만 사실 이보다 앞서 연구되고 있었던 분야는 '암백신'이다.
김빛내리 기초과학연구원(IBS) RNA 연구단장은 IBS에서 발간한 '코로나리포트'를 통해 "암세포는 정상 세포와는 달리 비정상적인 단백질을 만들어내는데, mRNA 암백신을 투여해 암단백질이 체내에서 생성되면 면역세포가 암단백질을 인지해 암세포만 선택적으로 파괴할 수 있다"고 밝혔다.
모더나 설립 멤버이자 매사추세츠공과대(MIT) 석좌교수인 로버트 랭어는 최근 매일경제와 인터뷰에서 "앞으로도 mRNA 기술이 새로운 백신과 암 치료, 심장병과 그외 다른 질병 치료를 가능하게 할 것"이라고 밝힌 바 있다. 화이자와 함께 코로나19 백신을 개발한 바이오엔텍은 현재 유방암, 피부암, 췌장암 등에 효과가 있는 개인 맞춤형 암백신을 개발 중이다.
mRNA가 '유전자 전달체' 역할을 하는 만큼 유전자 치료에도 활용될 수 있다. 유전 정보를 우리 몸 안에 전달할 수 있기 때문에 우리 몸에 부족한 유전자를 몸 안에 넣어주는 유전자 치료가 가능하다는 뜻이다. mRNA는 설계와 생산이 기존 치료제들에 비해 쉽고 빠른 만큼 플랫폼만 잘 갖춰 놓으면 빠르면 수개월 안에 치료제 개발이 가능하다. 일례로 지난해 1월 코로나19 바이러스의 유전자 정보가 공개된 후 모더나가 1상 임상시험에 필요한 백신을 만드는 데 걸린 시간은 25일에 불과하다. 즉 질환의 유전적 원인만 정확히 파악된다면 바로 치료제를 개발할 수 있는 것이다.
현재 mRNA 백신의 가장 큰 단점은 '저온 보관'이다. 모더나 백신은 영하 20도에서 유통·보관돼야 하고 화이자 백신은 영하 70도 상태를 유지해야만 한다.
안광석 IBS RNA 연구단 연구위원은 "mRNA는 분자구조가 불안정하기 때문에 상온에서는 쉽게 분해돼버린다"며 "mRNA 백신에서 mRNA를 둘러싸고 있는 지질막과 얼마나 잘 결합하느냐에 따라 보존 온도가 결정된다"고 설명했다. mRNA와 잘 결합할 수 있는 지질막을 연구개발하는 것은 각 개발사들이 주력하고 있는 분야이며 각 연구 기술은 특허로 보호되고 있다. 현재 세계에서 세 번째 mRNA 백신으로 개발 중인 독일의 '큐어백'은 냉장 보관이 가능한 것으로 알려져 있다.
[이새봄 기자]
[ⓒ 매일경제 & mk.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지]