올해 노벨 생리의학상은 신형 코로나바이러스 mRNA 백신에 핵심이 되는 mRNA 염기 변형 기술에 수여됐다. 실제로 2021년부터 mRNA 기술에 대한 상을 수여해야 한다는 요구가 강하게 제기됐다. 하지만 대중들에게 가장 인기 있는 해인 2021년에는 '사고'가 나오지 않았다. 그 해에도 '사고'가 있었고, 덕분에 mRNA 기술상 수상 이후 양질의 분석 논문을 대량으로 빠르게 볼 수 있었다. 본 글은 2021년 mRNA 기술이 수상하지 못한 이후 작성되었으며, 지난 2년간의 변화에 ​​맞춰 일부 내용을 약간 수정하였습니다.

mRNA 백신이나 mRNA 기술과 같은 과학적 혁신은 한두 사람의 산물도 아니고, 단순한 과학기술도 아니고, 서로 연결된 수많은 과학적 진보의 최종 성취라고 볼 수 있습니다. 오늘날 우수한 백신 기술 플랫폼은 많이 있으며, 이는 수년에 걸쳐 축적된 셀 수 없이 많은 미묘한 과학 기술 혁신의 결과입니다. 이러한 혁신의 대부분은 노벨상과 같은 논의에서는 결코 나타나지 않지만 전체 인류 사회에 매우 중요하고 실질적인 기여를 했습니다.


현지 시간으로 2020년 9월 29일 미국 필라델피아에서 헝가리 과학자 카탈린 카리코(오른쪽)와 미국 과학자 드류 와이스먼(왼쪽)이 펜실베이니아 대학교에서 단체 사진을 찍었습니다. 그들은 2023년 노벨 생리의학상을 수상했습니다. 시각적 중국 데이터 지도

이번에는 mRNA가 상을 받았습니다. 정확하게 말하면 mRNA를 변형하는 기술이 승리할 수도 있다.이 기술은 오늘날의 mRNA 백신의 중요한 구성 요소입니다.그러나 mRNA 백신과 mRNA를 이용해 특정 단백질을 발현하는 mRNA 기술이 현실화되기 위해서는 여러 과학적 기반이 필요하다. mRNA 코로나19 백신이 출시된 이후 mRNA 백신이 유전자를 바꾼다거나, mRNA 백신 개발자가 해당 기술이 위험하다고 말했다는 거짓 뉴스가 간헐적으로 나왔다. mRNA 백신의 과학적 근거를 검토해 보면 이것이 말도 안되는 일이라는 것을 알게 될 것입니다.

mRNA 기술의 이론적 기초

mRNA 백신의 기본은 mRNA를 인위적으로 도입해 유전자를 발현시키는 개념이다. 이는 중심교리(Central Dogma)에 대한 인간의 이해에 기초를 두고 있다. 중심 교리는 유전 물질의 방향을 설명합니다. 인체의 경우 유전정보는 DNA에 있습니다. 예를 들어, 많은 사람들은 피부의 콜라겐에 대해 매우 우려하고 있습니다. 콜라겐의 구조적 정보는 모두 DNA에 암호화되어 있으며 DNA의 암호화는 단백질로 직접 점프하지 않고 RNA를 통해 전달됩니다. "중개자"인 RNA도 여러 부분으로 구성됩니다. 그 중 mRNA는 DNA에 유전정보를 담고 있으며, tRNA와 rRNA는 RNA와 단백질을 만드는 역할을 담당한다. 이는 정보를 전달하는 mRNA와 동일하며 다른 사람들은 특정 작업을 담당합니다.

이제 유전 물질이 어디로 가는지에 대한 중심 교리가 생겼으니, DNA나 RNA를 도입하여 단백질을 발현할 수 있다고 상상해 보세요.예를 들어 일부 의료 미용 광고에서는 콜라겐 주사에 대해 이야기합니다. 센트럴 도그마를 고려하면 콜라겐 유전자를 지닌 DNA와 RNA를 세포에 도입한 뒤, 세포가 도입된 유전자 코드를 주형으로 활용해 콜라겐을 생성하게 할 수 있다. 사람에게 물고기 잡는 법을 가르치는 것과 물고기를 주는 것의 차이와 같습니다.

mRNA를 통한 유전자 발현은 mRNA 백신의 개념적 기초입니다. 아이디어는 훌륭합니다. 왜? DNA는 외래 유전자를 발현하는 벡터로 사용되지만, 현대 농업의 한 축인 인슐린 생산, 유전자 변형 작물 생산 등 널리 활용돼 왔기 때문이다. 그러나 어떤 경우에는 mRNA를 사용하여 유전자를 발현하는 것이 DNA를 도입하는 것보다 장점이 있습니다.

예를 들어, 인체에서 유전자를 발현하기 위해 DNA를 운반체로 사용하는 것은 훨씬 더 복잡합니다. 장기 표현과 단기 표현 사이에 균형이 없는 경우가 많습니다. 유전자 치료와 마찬가지로 이론적으로는 질병을 일으키는 유전자가 직접적으로 "고정"되어 문제가 완전히 영구적으로 해결될 수 있기를 바랍니다. 그러나 실제로는 훨씬 더 복잡합니다. 일부 사람들이 상상하는 것과는 달리, 유전자 변형 식품을 먹는 사람들도 유전자 변형 식품을 섭취하게 됩니다. 인체는 DNA 조각을 직접 흡수하지 않습니다. 인간 세포가 외부 DNA를 수용할 수 있는 운반 수단을 찾아야 합니다. 현재는 바이러스 벡터가 주로 사용됩니다. 이는 다시 운송업체 자체의 안전과 관련됩니다. 전체적으로 보면 매우 복잡합니다. 최종 결과는 때때로 우리가 그것을 완전히 제거하고 싶어하지만 외래 유전자가 도입된 후에는 시간이 지남에 따라 외래 유전자의 발현이 점점 줄어들 것이라는 것입니다. 그러나 때로는 DNA를 운반하는 운반체가 가지 말아야 할 곳으로 달려가는 등 장기적인 문제를 일으킬 수 있고, 인간 게놈에서 잘못된 방향으로 가는 것은 매우 위험하며, 극단적인 경우에는 세포암으로 이어질 수 있습니다.

대조적으로, mRNA는 세포질에서 작동합니다. 핵으로 이동하는 DNA와 달리 세포의 바깥 부분에 위치합니다. 인간 게놈에 영향을 미칠 위험이 없으며 세포로의 이동을 위한 "도로"가 더 짧습니다.더욱이 mRNA 자체는 불안정하며 일부 시나리오에서는 "긴 밤과 많은 꿈"의 위험을 피합니다.

요컨대, 첫째, 외래 유전자 발현을 위해 mRNA를 이용하는 도입은 유전학적 이론적 근거를 갖고 있으며 이론적으로 실현 가능하다. 둘째, 유전자 발현을 위해 mRNA를 사용하는 것은 특정 상황에서는 장점이 있으며 현실적으로 수요가 있습니다.

딜레마와 혁신

이론상으로는 가능하고, 현실적으로 수요가 있지만 반드시 실제로는 불가능할 수도 있습니다. mRNA 기술도 마찬가지다.과학자들이 mRNA를 사용하여 유전자를 도입하려고 할 때, 그들이 해결할 수 없었던 문제는 RNA 자체가 면역원성이 매우 크다는 것입니다.

이는 또한 자연의 법칙과도 일치합니다. 너무 많은 바이러스가 RNA를 게놈으로 갖고 있으며, 면역 체계는 오랫동안 RNA가 진화하는 동안 RNA에 대해 매우 경계해 왔습니다. 인간 세포는 유전자를 발현하기 위해 mRNA를 사용하지만, 유리 RNA 분자를 만나면 인체의 첫 반응은 이 사람이 바이러스이므로 즉시 제거해야 한다는 것입니다. 외인성 mRNA가 동물이나 인간에게 도입되면 강력한 면역 반응이 직접적으로 mRNA 분자를 조각으로 분해합니다. 결국 유전자가 발현되지 않았을 뿐만 아니라 강한 면역반응으로 인해 심각한 부작용도 발생하게 됐다.

여기서 면역체계를 강하게 자극하는 면역원성은 선천면역체계를 자극하는 것을 말한다. 요즘에는 mRNA 백신의 면역원성도 매우 좋지만 선천면역체계를 적절하게 자극하면 항체와 같은 후천적 면역체계를 자극하여 좋은 면역 기억을 형성한 후 성공적으로 다음 단계에 도달할 수 있습니다. 과거에는 mRNA의 면역원성이 후천면역의 문턱에도 닿지 않아 선천면역의 과민반응을 직접적으로 일으켰다. 신형 코로나바이러스 백신 상황으로 전환하면 백신을 접종해도 고열이 사라지지 않는 것과 마찬가지다. 항체의 마지막 부분이 형성되지 않았고 백신이 분해되었습니다.

이 때문에 mRNA 기술의 적용은 오랫동안 정체되어 많은 과학자들에게 절망적이라고 여겨졌다. mRNA 기술이 해결하고자 하는 문제는 어떻게 인간의 면역체계를 속이느냐 하는 문제이고, 그 속임수는 단순한 절도가 아니라 기본적으로 부정행위 수준이기 때문에 이러한 의심은 무리한 것이 아니다.

새로운 코로나바이러스로 인해 닭과 개들이 불안해졌습니다. 인간은 물론 심지어 동물까지 진화의 역사 속에서 수많은 바이러스와의 끊임없는 싸움을 거쳐 살아남았다. 이러한 투쟁과정에서 인간과 동물이 기본적으로 의지할 수 있는 것은 바로 면역체계이다.자연에서 자유 mRNA 분자가 존재할 수 있는 가능성은 단 하나, 즉 바이러스뿐입니다.따라서 면역 체계는 수백만 년에 걸쳐 진화해 왔습니다. 인체 내에서 돌아다니는 RNA 분자를 발견하면 즉시 이를 식별하고 제거해야 합니다. 이런 상황에서 인간의 면역체계를 속이고 인공적인 mRNA 분자를 방출해야 한다고 말하는 것은 그야말로 환상이다.

RNA 변형 기술의 출현이 RNA 기술 전체를 실현하는 열쇠가 된 것도 이러한 맥락에서다.이 RNA 변형 기술은 2023년 노벨 생리학상을 수상한 두 과학자인 카탈린 카리코(Katalin Karikó)와 드류 와이스먼(Drew Weissman)이 개발했습니다. 신형 코로나바이러스 mRNA 백신이 성공한 이후 이들에게 노벨상을 달라는 요구가 매우 높았습니다.

그중 카리코의 경험은 펀드 신청에서 거절당하고 직장을 잃을 뻔한 등 우여곡절이 많았다. 이것은 이제 매우 전설적인 것처럼 보이기 때문에 많은 언론에서 과장되고 보도되었습니다. 그러나 이러한 보고서는 그녀의 좌절 이면에 실제로 mRNA 기술 자체의 어려움이 있다는 사실을 다소 간과했습니다. 과학연구비 신청을 예로 들어보겠습니다. 그 당시 일부 과학자들은 이미 mRNA를 유전자 발현을 위한 운반체로 사용하고, 이어서 이 유전자 발현 방법을 사용하여 약물을 전달하려고 시도하고 있었습니다. 하지만 앞서 말했듯이 사람의 몸은 감기에 걸리지 않습니다. 한개 보내주시면 한개는 잘라서 보내드리겠습니다. 펀드 검토자들은 그러한 프로젝트가 헛된 노력인지 아닌지 자연스럽게 고려하게 될 것입니다.

동시에, 과학자로서 카리코는 모두가 취해 있고 나만 혼자라고 말하는 것이 아닙니다. 단순히 이전의 mRNA 합성과 전달을 반복하면서 이것이 성공할 것이라고 생각하는 것이 아니다. 그녀는 이전 방법에 문제가 있다는 것을 분명히 깨달았습니다. mRNA의 강한 면역원성이 해결되지 않는다면 mRNA를 이용한 외래 유전자의 도입은 불가능할 것이다. 그래서 그녀와 Drew Weissman은 mRNA 전달 기술에 대한 연구에 협력했고 곧 mRNA 분자의 면역 자극 특성을 줄이는 방법으로 전환했습니다. 2005년에 그들은 mRNA의 U(우라실)가 화학적으로 슈도우라실로 변형되면 mRNA 분자가 더 이상 면역 세포를 강력하게 자극하지 않는다는 사실을 발견했습니다.

이번 발견은 모더나와 바이오엔텍의 새로운 코로나바이러스 백신에 사용되는 기술인 mRNA 변형이다. 과거에는 모든 사람이 mRNA 변형이 필요하다고 믿지 않았습니다. 예를 들어, 또 다른 독일 회사인 CureVac은 우라실 수를 줄임으로써 이 문제를 해결할 수 있다고 생각했습니다. Sanofi가 인수한 TranslateBio는 mRNA(캡핑)의 다른 구조를 최적화했습니다. 그들은 모두 이것이 mRNA의 면역원성 문제를 해결할 수 있다고 믿었습니다. 물론, 적어도 mRNA 백신의 대규모 및 성공적인 사용은 mRNA 변형이 효과적이고 실현 가능하며 mRNA 약물 전달의 주류가 되었음을 증명합니다.

면역원성 문제를 해결하는 것 외에도 mRNA 기술의 성공은 다른 많은 과학적 혁신에도 달려 있습니다.예를 들어, mRNA 분자를 인체에 효과적으로 전달하는 방법. mRNA 분자를 인체로 직접 가져오는 것은 매우 비효율적입니다. 인간 세포에 흡수되지 않으면 효과가 없습니다. 여기에는 지질 분자를 사용하여 mRNA 분자를 감싸서 나노미터 수준의 입자 크기를 형성하는 리포솜 패키징 기술의 획기적인 발전이 포함됩니다. 인터넷상의 일부 백신 음모론에서는 나노라는 단어를 사용해 소란을 피우기도 합니다. 실제로 나노는 단지 크기의 순서일 뿐입니다.

mRNA 변형과 나노지질 담체를 이용한 mRNA 백신 개발은 순조롭게 진행되지 않습니다. 바이오엔텍과 모더나는 이전에는 백신 개발에 집중하지 않았으나 mRNA 기술을 이용해 다른 질병에 대한 약물 전달에 큰 진전을 이루지 못했다. 백신의 경우에도 모더나는 광범위 인플루엔자 백신을 만들곤 했지만, 인간의 면역반응은 동물모델에서 얻은 결과보다 낮았고 진행도 더뎠다. 이번 신형 코로나바이러스 백신의 획기적인 발전은 신형 코로나바이러스 자체의 특성 및 최근 몇 년간 백신 설계의 획기적인 발전과도 밀접한 관련이 있다.

결론

mRNA 백신이나 mRNA 기술과 같은 과학적 혁신은 한두 사람의 산물도 아니고, 단순한 과학기술도 아니고, 서로 연결된 수많은 과학적 진보의 최종 성취라고 볼 수 있습니다.

또한 mRNA 백신 외에도 신형 코로나바이러스 아데노바이러스 백신, 재조합 단백질 백신도 효과가 좋다는 점에 유의해야 한다.이는 오늘날 우수한 백신 기술 플랫폼이 많이 있다는 것을 반영하며, 이는 또한 수년 동안 축적된 셀 수 없이 많은 미묘한 과학 기술 혁신의 결과이기도 합니다. 이러한 혁신의 대부분은 노벨상과 같은 논의에서는 결코 나타나지 않지만 전체 인류 사회에 매우 중요하고 실질적인 기여를 했습니다.

저자 Zhou Yebin은 버밍엄에 있는 앨라배마 대학교에서 유전학 박사 학위를 취득했습니다. 오랫동안 면역학 연구에 종사해 왔으며 현재는 제약회사에서 신약 연구개발 업무에 종사하고 있다. 이 기사는 "생물학적 개 인기 과학 정원"의 WeChat 공개 계정에 처음 게시되었습니다.