코로나 바이러스 백신 개발 전략 - RNA 전사의 방해

   신종 코로나바이러스감염증은 코로나19(COVID19)로 불려지는 사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2)에 의한 것인데, 얼마전 서울대학교의 김빛내리 교수와 장혜식 교수가 코로나19(COVID19)의 고해상도 유전자 지도를 완성하여 RNA 전사체를 세계 최초로 분석해서 발표했다.

 

신종 코로나바이러스 감염증의 원인인 사스코로나바이러스-2의 RNA전사체를 세계 최초로 분석한 김빛내리(왼쪽)ㆍ장혜식 서울대 생명과학부 교수팀

 

 

   코로나 바이러스는 일반적인 바이러스와는 달리 DNA가 아닌 RNA전사체를 통해 자신을 복제한다. 이 RNA 전사체를 분석했다는 말은 이 바이러스가 어떤 원리로 복제가 된다는 것을 밝혀냈다는 뜻이고, 다시말해 복제되는 원리를 알면 그 복제를 방해함으로써 증식을 억제할 수 있는 방법도 알 수 있다는 뜻이다. 그리고 이를 활용하면, 바이라스에 대한 고정말 진단시약과 치료제를 만들 수 있게 된다.

 

이 연구 성과가 의미 있는 이유는 

 

첫째, 바이러스 백신 연구 commnity에서 우리나라의 위상 변화이다.

 

현재 코로나 바이러스의 지난시약, 백신, 치료제에 대해 미국과 중국이 선두다툼을 하고 있는 상황이다. 그런데 중국이 가장 먼저 발병환자가 있었고, 상당히 많은 수의 환자가 발생했기 때문에 바이러스 샘플을 많이 확보한 상태여서 진단시약 개발에서 미국보다 앞설 수가 있었다.

 

하지만, 최근의 뉴스에서 들리는 것처럼 진단의 오류가 많은 상황인데, 주요한 원인 중의 하나가 코로나 바이러스의 특징이 RNA 전사에 있기 때문이다. 따라서, DNA보다는 RNA전사체를 정확히 알아야만 바이러스를 특정짓고 진단할 수 있는 것이다.

 

둘째, 바이오 기술과 컴퓨팅 기술의 결합에 의한 결과로, IT 강국인 대한민국이 바이오 기술 분야에서도 선두에 설 수 있다는 가능성을 보여주는 것이다.

 

바이오 기술은 고분자를 다루는 기술인데, 고분자로 된 물질의 형상을 분석하거나 반응 기전을 화학적로 분석하기 위해서는 수학/물리학적인 방법만으로는 되지 않고, 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 컴퓨팅 기술이 필요하다. 이것은 생물체 내에서의 생화학적인 반응은 일반적인 화학반응과는 달리 고려해야 할 변수가 많고 복잡하기 때문이다.

 

이러한 이유로 과거에는 컴퓨팅 성능이나 데이타 분석 기술들이 충분히 발달하지 못했기 때문에, 일부 단순화된 환경에서의 실험 설계만을 통해 반응 기전을 밝혀내거나 제한된 데이터로 추측할 수 밖에 없었다. 

 

그러나, 이제는 발달된 컴퓨팅 기술로 생물학 분야의 많은 난제에 대해 보다 정확한 해답을 얻을 수 있게 된 것이고, 컴퓨팅/데이터 분석과 같은 IT 기술이 바이오 분야의 기술 발전에 큰 영향을 끼칠 수 있는 이유이다. 

 

앞으로 대한민국의 바이오 기술의 전망이 밝은 이유가 바로 여기에 있다.

 

또한, 제조 측면에서도 반도체제조 기술 역시 중요한 기여를 할 것으로 예상되는데, 이 부분에 대해서는 다른 글에서 다시 자세히 설명하겠다.

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아래는 관련하여 중앙일보에 게제된 기사. 사진 역시 중앙일보에 게재된 사진.

   연구팀은 나노포어 직접 RNA 시퀀싱 등 두 종류의 차세대 염기서열 분석법을 활용해 사스코로나바이러스-2 바이러스의 유전체와 숙주세포로 침투해 생산한 RNA전사체를 모두 분석했다. 이로써 바이러스 유전자의 정확한 위치를 찾아내는 한편, 숨겨져 있던 RNA들과 여러 가지 RNA의 변형을 발견했다. 또 바이러스의 전사체(세포 안에서 생산된 RNA)가 어떻게 구성되어 있는지 이해할 수 있게 됐다. 사스코로나바이러스-2의 복잡하면서도 숨겨진 비밀들을 밝혀주는 지도를 제시한 셈이다. 유전체와 전사체에 대한 빅데이터를 생산하여 후속 연구를 위한 다양한 정보 또한 제공했다.

전자현미경으로 본 신종 코로나바이러스. [사진 미국국립알레르기·감염병연구소]

 

사스코로나바이러스-2는 DNA가 아니라 RNA 형태의 유전자를 지니고 있다. 바이러스는 숙주세포에 침투해 유전정보가 담긴 RNA를 복제하는 한편, 유전체RNA를 바탕으로 다양한 하위 유전체 RNA를 만들어낸다. 이 하위 유전체는 스파이크와 외피 등 바이러스 입자구조를 구성하는 여러 단백질을 합성하며, 복제된 유전자와 함께 숙주세포 안에서 바이러스 완성체를 이룬다. 이후 세포를 탈출해 새로운 세포를 감염시킨다.

지난 1월 중국 상하이 공중보건임상센터등을 통해 사스코로나바이러스-2의 DNA유전체 정보가 처음 공개되면서 이를 바탕으로 DNA기반 진단키트가 개발됐지만, 유전체 RNA정보를 기반으로 유전자 위치를 예측하는 수준에 머물렀다. 김 단장 연구팀은 이번 연구에서 유전체RNA로부터 생산되는 하위유전체 RNA를 실험적으로 규명하는 한편, 각 전사체의 유전정보를 모두 분석해 유전체RNA 상에 유전자들이 어디에 위치하는지 정확하게 찾아냈다.

코로나19의 전파 원리. [그래픽 기초과학연구원]

 

이번 연구성과에는 계산생물학자인 장혜식 교수와 질병관리본부의 기여가 결정적이었다. 장 교수는 지난달 16일 바이오아카이브에 완벽한 전사체와 후성전사체 지도를 세계 처음으로 올린 학자다. 학부에서 컴퓨터과학을 전공하고, 빅데이터 분석에 사용되는 프로그래밍 언어인 파이썬 개발의 주역 중 한 사람이다. 장교수는 자신의 전공을 이용해 통상 6개월 걸릴 이번 RNA전사체 분석을 3주만에 끝냈다. 질병관리본부는 지난 2월 연구팀에 불활성화된 코로나19 바이러스를 발빠르게 제공했다.

국제학술지 셀에서도 이례적으로 빠른 심사과정을 진행했다. 김교수팀이 셀에 논문 게재 신청을 한지 한달도 채 못된 9일 이례적으로 우선 게재했다.

김빛내리 단장은 “셀이 코로나19가 전세계적 대유행으로 번지고 있는 상황에서 서둘러 게재결정한 것”이라며 “이번 연구는 사스코로나바이러스-2에 대한 풍부한 정보와 세밀한 지도를 통해 바이러스의 증식원리를 이해하고 이를 바탕으로 향후 코로나 계열의 바이러스에 대한 더 정확한 진단키트와 새로운 치료 전략을 개발하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

 

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