국내 연구진이 mRNA(메신저 리보핵산) 백신의 작동 원리를 최초로 밝혀내는 데 성공했다.

새로운 백신 및 치료제 플랫폼으로 주목받는 mRNA 기반 기술을 더욱 효과적으로 만들고 안정성도 높이는 실마리를 제공했다는 평가가 나온다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 김빛내리 RNA연구단 단장 연구팀이 mRNA 백신의 세포 내 전달과 분해를 제어하는 단백질 군을 찾아내고 작동원리도 최초로 규명해 4일 최고 권위 국제학술지 '사이언스'에 발표했다고 밝혔다.

코로나19 백신으로 잘 알려진 mRNA 기반 기술은 단백질 정보를 담은 RNA를 세포에 넣어 특정 단백질을 세포가 만들도록 하는 기술로 감염병 대응뿐 아니라 암백신, 면역 및 유전자 치료 등 다양한 분야에 활용할 수 있어 주목받고 있다.

mRNA를 전달하는 지질나노입자 개발 등을 통해 실제 백신 개발로도 이어져 왔지만, 정작 치료용 RNA가 체내에서 어떻게 작동되는지는 구체적으로 알려지지 않았고 염기를 일부 변형해 mRNA 안정성을 높여 코로나 백신 효능 혁신을 이끈 'N1-메틸수도유리딘 변형 염기'가 어떻게 기능하는 건지도 분명하지 않았다.

이에 연구팀은 외부 mRNA를 제어하는 세포 내 인자를 찾기 위해 크리스퍼(CRISPR) 유전자가위를 이용한 '녹아웃 스크리닝'을 진행했다.

이 기법은 세포 내 단백질 유전자 1만9천114개 중 하나를 없앤 세포들을 만들고 형광단백질(GFP)을 만드는 mRNA를 넣은 지질나노입자를 주입해 세포들이 어떻게 반응하는지를 살피는 것으로, mRNA 활성화를 형광 정도를 통해 판별하고 이 세포에서 어떤 단백질이 사라졌는지를 분석해 연관된 인자를 찾을 수 있다.

분석 결과 연구팀은 우선 세포막 표면에서 외부 물질 유입을 돕는 당단백질인 황산헤파란 분자가 mRNA를 감싼 지질나노입자와 결합해 세포 내 유입을 촉진하고, 이를 통해 지질나노입자가 세포 내 소포체로 들어가는 것을 확인했다.

이후 양성자 이온 펌프인 'V형 아데노신삼인산(ATP) 가수분해효소'(V-ATPase)가 소포체 내부를 산성화시키고 지질나노입자가 양전하를 띄도록 해 소포체 막을 일시적으로 파열시키는데, 이 막이 깨지면서 mRNA가 세포질로 방출돼 단백질 발현이 이뤄지는 것을 확인했다.

여기에 더해 연구팀은 양성자 이온이 외부 RNA의 침입을 경보하는 역할을 한다는 것도 처음 확인했다.

2일 서울대에서 열린 브리핑에서 김 단장은 이 연구가 "mRNA 전달을 돕는 물질을 찾아 전달 효율을 증대시킬 수 있는 기술 개발의 이론적 기반을 제공했다"며 "mRNA 파괴 물질도 찾았기 때문에 회피 기술을 추가 개발하면 약의 용량을 줄여 효과적이면서도 부작용을 줄이는 안전한 백신 및 치료제 개발을 기대할 수 있다"고 설명했다.

또 그는 "양성자 이온이 세포질 안에서 국소적으로 다를 수 있다는 것을 처음 발견해 세포 방어 기전에 대한 이해도 넓혔다"며 "RNA뿐 아니라 면역, 세포 신호 분야에서도 새 연구 방향을 제시할 것으로 보인다"고 말했다.

김 단장은 RNA가 염기서열 정보만으로 어떤 단백질도 만들 수 있고, 소규모 시설로도 생산이 가능하며 설계도 하루 전 가능한 만큼 기술 적용 범위가 점차 넓어질 것으로 기대했다.

그는 "연구 1저자인 김명환 박사가 연구 세팅을 하면서 질병관리청에 기술이전했고, 국제백신연구소와 공동 연구를 통해 백신을 더욱 안정적으로 하는 연구도 진행하고 있다"며 "이번 연구와 같은 기본적 이해를 갖고 시작해야 (RNA 기술이) 멀리 갈 수 있을 것으로 생각한다"고 말했다.