오태광의 바이오 산책 <77> 생체모사 분자주사기(Molecular syringe inspired from bacteria or virus) > News Insight

 박테리아나 바이러스와 같은 미생물(微生物)의 기능을 모사한 분자주사기는 질병 부위 세포에만 정확하게 약물을 투입할 수 있어서 부작용을 줄일 수 있고, 인체 외부는 물론, 인체 내부의 특정 장기나 세포에도 약물을 투입할 수 있는 큰 장점이 있다. 미생물 중 다른 생물의 기능을 이용하는 기생 또는 공생균은 반드시 다른 생물의 세포벽을 뚫고 들어갈 수 있어야 가져야 살아갈 수 있다. 즉, 숙주 생물(동물, 식물, 미생물 등)의 세포벽을 뚫고 들어가서 숙주 생물의 생명 기능을 활용하여 성장 및 번식하는 박테리아와 바이러스(Virus)가 가장 대표적인 예이다. 바이러스를 예로 설명하면 바이러스가 생물에 침입할 때 숙주세포 표면에 결합하고, 주사침의 역할을 하는 침상 물질이 세포벽을 뚫으면, 바이러스가 가지고 있는 유전자(DNA 또는 RNA)를 주입하면 숙주 생물의 생리적 기능을 활용하여 많은 복제 바이러스를 만들어 바이러스 자손을 퍼트리고, 결국 숙주 생물은 죽게 된다. 

코로나19와 같은 감염성 바이러스가 인체에 침입하는 방법은 인체 표면 특정 세포 단백질 부위에 결합하면 감염을 시키고 그렇지 못할 때는 감염을 할 수가 없게 된다. 원래는 인체에 감염할 수 없던 동물 감염바이러스가 변이가 생겨서 인간 세포에 결합할 수 있는 능력이 생기면 무시무시한 인간 감염병 바이러스로 변하여 팬데믹과 같은 대참사를 일으키기도 한다. 인체 세포벽에 구멍을 뚫는 것은 간호사가 주사할 때 주사침으로 피부를 뚫는 것과 비슷하고, 바이러스가 자신의 유전자를 주입하는 것은 주사기 내용물인 약물이나 백신과 흡사하다. 에이즈 바이러스(HIV), 헤르페스(Herpesvirus), 코로나19 등과 같은 수많은 감염병 바이러스도 인간 세포를 침입할 때 모두 이런 마치 주사기와 비슷한 작용으로 바이러스의 유전자를 인간에게 주입하여 병발하게 된다. 결국, 주사침 위치는 간호사가 결정하고 뾰쪽한 주사침으로 피부세포를 뚫으면 주사침 구멍을 통해서 약물을 주입하는 것이 바이러스나 기생 미생물이 숙주 생물에 침입하는 것과 비슷하다. 기생 박테리아나 바이러스가 침입하는 방법을 바이오 모사(Biomomics)하여 인간에게 유용한 분자주사기를 만들게 되었다. 

<유용 미생물을 침입하는 박테리오파지 >

 인간이 필요로 하는 정장 작용제는 유산균(Lactobacillus), 항생제는 방선균(Streptomyces), 소화제는 고초균(Bacillus), 아미노산은 코리네박테리움(Corynebacterim), 유전자 재조합된 단백질은 유전자 재조합된 대장균(E. coli) 등 유용 산업 미생물은 발효하여 생산하고 있다. 발효기로 미생물을 키우다 보면, 종종 한창 잘 자라고 있는 미생물이 완전히 사라지는 마법 같은 일이 생긴다. 발효되면서 미생물이 많이 자라서 미생물 농도가 높아져 발효액이 뿌옇게 되는데, 순식간에 완전히 투명한 물로 변하는 현상이다. 이런 현상은 유용 미생물을 숙주(宿主)로 사용하는 바이러스인 박테리오파지(Bacteriophage)가 숙주 생물인 유용 미생물을 공격하여 미생물 내에 박테리오파지의 유전자를 주입하여 미생물 속에서 미생물의 생리기능을 활용하여 박테리오파지는 많은 자손을 생산하면서 숙주인 미생물을 완전히 없애버리기 때문에 발효액 속에 있는 미생물이 완전히 분해되어 없어지고, 박테리오파지는 크기가 너무 작아서 빛을 투과하기 때문에 마치 맑은 물처럼 변하기 때문이다. 

바이러스는 숙주세포가 없는 곳에서는 살 수 없으므로 생물이 살아있는 어디에서나 존재하여 토양, 호수, 강, 바닷속, 동물의 창자, 식물에도 존재하고 가장 많이 발견되는 곳은 바닷물 속의 표층에는 9x 108/ml이 존재하고 있다. 바이러스가 숙주세포에 침입하기 위해서는 숙주세포 표면에 세포막에 바이러스가 결합할 수 있는 특정인자가 존재해야 한다. 인간에 침입하는 에이즈(HIV), 헤르페스(Herpesvirus), 코로나19(COVID) 등 수많은 인체 바이러스는 인간 세포 표면이 바이러스와 결합할 수 있는 특정한 구조를 가지는 물질이 있기 때문이다. 바이러스가 인체 세포막에 결합할 수 없으면 인체에는 해가 없지만, 바이러스가 변형되어 인체 세포막에 부착할 수 있게 되면 인체에 감염하여 무서운 바이러스 병 유행 또는 대유행이 발생한다.

 바이러스 전체 모양은 아폴로 11호 달 착륙선과 유사하게 생겨서 아래에는 5개의 긴 섬유형 지지대(Long tail fibers)는 쉽게 세포 표면에 착륙하여 안전하게 부착할 수 있게 할 수 있다. 바이러스는 오래전부터 인류 역사와 함께하였는데, 정확한 지구상 최초 발생은 알 수 없지만, 기원전 1143년에 이집트 파라오 람세스 5세 죽음의 원인이라고 밝혀서 역사상 아주 먼 옛날에 등장했다. 박테리오파지가 발견은 1915년 영국 미생물학자 프레더릭 트워트(Frederick William Twort)가 발견하였고, 1930년에 전자현미경이 등장하여 구조를 알 수 있었으니까 아폴로 11호가 바이러스의 모양과 비슷한 것은 박테리오파지 구조를 바이오 모사(Biomimics) 했을 것으로 추정한다.

바이러스의 구조는 아주 단순하여 <그림 1>(a) 에서 보듯이 아폴로 11호 달착륙선과 유사한 구조이고 표면은 단백질(검은색)로 싸여있고, 내부는 유전자(파란색)로 구성되어 있다. 머리 부분에는 유전자가 보관되어 있고, 머리 아래 둥근 띠로 만들어진 원통에는 주사침처럼 공간이 있고, 가장 아래 기저(Base plate) 구멍의 폭이 좁아져서 마치 침 모양을 형성하고 있다. 실제 <그림 1>(a) 의 오른쪽에 표시되어 실물 주사기와 비교하면, 바이러스의 전체적 모습이 주사기와 아주 유사하다는 것을 알 수 있다. 주사기의 내용물인 약물은 바이러스의 유전자이고, 주사기의 원통 모양의 기둥은 바이러스의 둥근 단백질 띠로 만들어진 원통기둥이 속이 비어 있는 구조는 흡사하고, 바이러스의 기저판조차도 실물 주사기의 하단모양과 아주 유사하다.

바이러스가 숙주세포에 침입할 때는 단지 한 개의 주사기(바이러스)를 사용하는 것이 아니라 바이러스는 숙주세포의 모든 부분을 <그림 1>(b) 와 같이 세포에 표면을 모두 덮을 정도로 많이 침입하여 무서운 속도로 감염된다. 일단 바이러스가 숙주세포에 부착되면 <그림 1>(c) 에서와 같이 빨간색의 단백질 침(Protein needle)이 세포벽을 파괴하면서 구멍이 뚫어지면서 파괴된 구멍을 따라서 바이러스가 가지고 있는 유전자를 숙주세포가 가진 바이러스 수용체(Receptor) 구멍을 확장하여 숙주세포 내로 단시간에 집어넣으면 감염이 끝나게 된다. 이런 바이러스의 침입 방법은 우리가 지금 사용하고 있는 주사기 원리와 거의 같아서 주사침, 주사기 원통, 주사기 속 주입 약물 이 같고, 최종 목적도 외래 약물이나 유전자를 세포로 전달한다는 데서 같다. 이렇게 생체 분자 간에 일어나는 숙주 생물과 기생 바이러스나 세균의 침입 방법을 모사하여 만든 주사기가 생체모사 분자주사기이다. 

<박테리아 주사기 system>

2023년 3월에 과학전문지 Nature지(2023.3)와 Science 지(2023.4)는 새로운 약물 전달기술로 박테리아를 이용한 생물학적 박테리아 주사기(Biological syringes(Science), Bacterial contractile injection system(Nature))에 대한 연구 결과를 보고하였다. 숙주세포 속에서 공생하는 박테리아가 세포 외 수축주입 시스템(Extracellular injection system)을 이용하여 기생하는 숙주에 접근하여 소통하고 물질 교류하고 있었다. 박테리아 표면에 있는 스파이크로 숙주세포에 결합하여 숙주세포 속으로 들어가기 위해서 숙주 세포막을 통과하고 박테리아 단백질을 숙주세포에 주입하는 시스템은 주사기 모양의 거대 복합체를 사용하고 있다. 곤충병원성 박테리아인 Photorhabdus asymbiotica가 가지고 있는 주사기 복합체로 포토하버더스 병독성 카세트(Photorhabdus Virulence Cassette, PVC)를 대표적인 박테리아 주사기로 예를 든다. 원래 PVC는 꼬리 부분에 표적으로 하는 숙주인 곤충에 몸체에 결합하여 침입/기생하여 박테리아 자손을 퍼뜨리고 종국에는 숙주인 곤충을 죽이는 병원성이 있었지만, 포유류인 마우스(Mouse)나 인간 세포에는 PVC가 결합할 수 없어서 포유류 세포에 침입할 수 없으므로 병원성이 없었다, 하지만, 연구팀은 AlphaFold의 ColabFold라는 프로그램으로 숙주세포 부착 부위를 in silico 구조 엔지니어링 하여 마우스나 인간 세포에도 부착하여 침입할 수 있도록 재설계하여 마우스나 인간과 같은 포유류에도 감염되도록 그림 2와 같이 만들었다. 

<그림 2> 곤충병원성 박테리아 Photorhabdus asymbiotica의 PVC 핵심 유전자와 PVC의 숙주세포 결합/단백질 전달 모식도 PVC에 관련된 핵심 유전자는 <그림 2>(a)와 같이 16개로 이루어져 있고 아래에는 전달하는 물질인 Pdp1, Pnf 유전자 등으로 구성되어 있다. <그림 2>( b)에서 바이러스와는 다르게 숙주 표적에 도착한 후 꼬리 섬유인 PVC13이 발을 내려면서 결합하고, 여러 개의 둥근 띠 모양의 단백질 칼집(Sheath)이 수축하면서, 침 모양 스파이크(PVC8, PVC10)가 주사침처럼 숙주세포를 파고들고, 스파이크 끝 침이 부러지면서 침 속의 구멍을 통해서 단백질이 주입된다. 여기서 인위적으로 숙주세포를 인식하는 PVC 13을 마우스나 인간 세포를 인지하도록 변형하면 마우스나 인간 세포에도 침입할 수 있게 된다. 주입하는 유전자가 Pdp1, Pnf 유전자를 사용하면 숙주세포를 죽이고, 형광을 내는 유전자인 GFP(Green Fluorescent Protein)을 사용하면 숙주세포가 녹색 형광을 낸다. 이런 방법으로 형광 단백질 대신 인간이 원하는 약물, 단백질, 유전자를 넣을 수 있어서 현재 병원에서 사용하는 주사기와 같은 기능을 할 수 있어서 분자 레벨(Molecular level)의 주사기(Syringe)를 만들 수 있다. 

연구논문에서는 PVC 리프로그래밍(Reprogramming)을 사용하면 마우스나 인간 세포에 대한 결합력도 100% 가까이 접근할 정도의 결합효율을 가진다는 결과를 얻어서 박테리아 주사기로는 많은 종류의 생물에도 사용할 수 있다는 것을 알았다. 하지만, 분자주사기를 나쁜 용도로 사용할 시는 인류나 동식물을 해치는 치명적인 무기가 될 수 있어서 생명윤리 문제에 대한 면밀한 검토는 정말 중요하다고 생각한다. 박테리아 주사기를 이용한 약물 전달하는 새로운 방식은 현재 약물 전달에 한계성이 있는 나노입자 등에 사용할 수 있지만, 박테리아 주사를 사용한 약물의 효과 여부는 물론 인체의 부작용에 관한 정밀한 연구가 아직 없어서 인체에 적용하기에는 아직 더 많은 연구가 필요하다. 

<박테리아 분자주사기 응용>

분자주사기 기술은 암 치료, 약물 전달, 생물학 연구, 약물 스크리닝 등 여러 가지 분야에서 다양하게 활용할 수 있을 것으로 예상한다. 

첫 번째 암 치료에 사용하는 방법은 곤충병원성 박테리아의 분자주사기로 곤충 숙주세포를 공격하는 방법을 모사(模寫)하여 암세포를 숙주로 하고 독소 단백질을 주입하는 그림 2의 f와 같은 원리로 암세포를 주일 수 있다. 암세포 치료용 분자주사기를 미국 MIT와 하버드 브로드연구소에서 개발하여 인체 세포와 실험동물에서 효과가 입증되어서 유전자 치료와 암치료분야에 획기적 발전을 기대하고 있다.

두 번째는 약물치료를 효율적으로 하는 방법으로 분자주사기를 사용할 수 있다. 분자주사기의 둥근 단백질 띠로 이루어진 원통의 길이는 100nm(1nm=10억분의 1m)이고 여기에 치료할 수 있는 약물 주입하는 방법으로 비정상적인 세포 위치에 정확하게 약물을 전달할 수 있게 한다.  

세 번째는 유전자 치료에도 분자주사기를 사용할 수 있는데, 이때 유전자 치료 시, 특정 유전자를 정확한 위치로 전달할 수 있다. 주로 분자주사기 원통에 유전자 가위인 CRISPER-Cas9을 넣어서 유전자 교정(Gene editing)하면 개인맞춤형 유전자 치료도 가능하다. 

네 번째는 생물학 연구에 유용하게 활용되는데, 특정 단백질이나 유전자를 특정 조직이나 세포에 전달하게 되면 단백질이나 유전자의 생물학적 과정을 검정할 수도 있고 어떻게 조절할 수 있는지를 예측할 수 있어서 새로운 생물학적 발견을 할 수 있을 것이다.

다섯 번째는 약물의 스크리닝에 사용하는데, 특정 세포나 조직에 정확하게 약물을 전달하여 약물의 효과를 평가하면 신약 개발이나 환자 맞춤형 약물을 스크리닝하여 신약 개발의 성공률을 높이거나 환자에 효율성이 높은 약물을 선발하여 치료효율을 높일 수 있을 것이다. 

분자주사기를 사용하는데 가장 큰 장점은 정확한 전달이 되어서 치료에 도움이 클 것이고, 꼬리의 섬유 발인 PVC13을 활용하면 특정 부위에 정확히 찾아가는 최첨단 유도 미사일 역할을 하여 꼭 필요한 위치에 찾아가서 공격할 수 있어서 치료의 효율을 높일 수 있을 것이다. 하지만, 우려되는 단점도 예상할 수 있는데, 분자주사기 자체가 인체 내에서 외래물질로 인식되어서 면역 반응이 일어나서 부작용이 일어날 수 있다. 분자주사기에 CRISPER-Cas9과 같은 유전자 가위를 사용하는 데는 효율적이지만, 분자주사기의 단백질 칼집이 너무 작아서 분자량이 큰 단백질 약물을 사용하기는 어려울 것으로 예상한다. 결국, 인체에 사용하기 위해서는 더 많은 연구와 임상 응용이 필요하고, 아울러 안전성에 대한 다각적인 검토가 필요해서 인체에 사용에는 아직 큰 노력이 필요하다. 

<맺 는 말>

분자주사기는 앞으로 암 치료나 유전자 치료에 청신호로 작용하지만, 아직은 더 많은 연구가 필요하다고 생각한다. 특히, 곤충 병원균에서 모사한 분자주사기가 단지 곤충 세포에 붙어서 숙주로 하는 곤충에 침입하는 것은 문제가 없지만, 이미 기술한 것처럼 숙주세포에 닻을 내리는 PVC13을 AlphaFold의 ColabFold 라는 프로그램으로 숙주세포 부착 부위를 in silico 구조 엔지니어링 하여 마우스나 인간 세포에도 부착하여 침입할 수 있도록 재설계하여 마우스나 인간과 같은 포유류에도 감염할 수 있다는 데서 큰 위험성이 있다고 생각하고 있다. 

지금도 우리가 끔찍하게 생각하는 코로나19(COVID)와 같은 전염병 대유행이 대부분 동물에만 감염되던 바이러스가 변형되어서 인체 특정 세포(Receptor)에 결합하여 주사침인 스파이크로 자신의 유전자를 인체 내로 주입하면서 펜데믹이 발생한 것을 생각하면, 인위적 곤충병원성 미생물의 분자주사기를 인체에 침입할 수 있도록 하는 연구는 위험성이 있을 것으로 생각한다. 연구전 충분히 고려해서 하겠지만, 혹시나 새로운 감염병을 만드는 도구를 인간이 만들 수 있다는 위험성에 대해서는 충분한 검토가 필요하다. 분자주사기의 유용성은 충분히 인지하지만, 발생할 수 있는 모든 위험 가능성을 차단할 수 있는 철저한 연구가 필요하다고 생각한다.

다시 한번, 높은 효율성이나 뛰어난 방법의 개발도 매우 중요하지만, 몇만 분의 일이라도 분자주사기 자체 기술은 물론, 결과물인 유전자 주사기의 일부 산물이 생태계에 노출되어 일어날 수 있는 위험성을 방지하는 모든 방법이 철저히 확보되어야 할 것이다. 분자주사기의 유용성은 뛰어나지만, 생명윤리 문제나 안전성 확보를 위한 더 많고 철저한 연구가 되어야 한다고 생각한다.

<ifsPOST>