오태광의 바이오 산책 <45> Science가 선정한 2021/2022년 혁신바이오 기술성과 > News Insight

세계 저명학술 전문지인 사이언스(Science)지는 매년 연말 그해를 빛낸 과학기술 혁신성과( Science Breakthrough)와 그해 과학계를 실망시킨 3대 사건(Scientific Breakdown)을 선정하여 발표하고 있다. 2021년과 2022년에 Science 지는 “Science’s Breakthrough of the year”(Science 2021.12.16., 2022.12.15.)라는 제목으로 해당 연도의 10대 혁신 과학기술을 발표하였다. 2021년과 2022년에는 각기 발표한 10대 혁신 과학기술 중, 12개가 바이오 기술로 발표되어 과학계에 바이오 비중이 많이 높아진 것을 실감할 수 있었다. 우선 2020년 과학기술의 혁신 방향을 살펴보고 2021, 2022년에 선정된 12개의 바이오 분야의 혁신 과학기술 이슈와 과학계가 실망한 3대 사건의 내용을 정리하여 소개하고자 한다.

<2020년 과학기술 혁신 방향>

 2020년은 큰 정치적 변혁이 과학기술계의 연구 환경을 위축시켜서 지구 환경개선 의지를 좌절시키고 국가 간 공동연구를 축소 시켰다. 결론적으로 미국의 2020년 11월 대통령선거와 영국의 EU 탈퇴가 가시화되면서 끊임없는 정치적 혼란으로 과학계에 나쁜 영향을 미쳤다. 2020년 11월에 미국 대통령선거에서 공화당 트럼프 대통령이 재선되면 기후변화 및 기타 환경문제에 대한 심각한 도전을 받을 수 있을 것으로 많은 전문가가 예측하였지만, 결국 민주당 바이든이 미국 대통령으로 당선되어서 트럼프 대통령이 2019년 11월에 공식 탈퇴를 선언한 파리기후변화 협약에 재가입하여 해결되었지만 많은 혼란은 초래하였다. 영국은 1973년 유럽경제공동체(EEC)에 가입한 뒤 43년만인 브렉시트 국민투표를 통해서 EU를 탈퇴하였고 2020년 1월 31일 정식 탈퇴가 발효되었다. 이렇게 되면서 영국과학 자의 EU 과학보조금(Grants)이 무산되고 EU 국가 간의 공동연구가 어렵게 되었다.

이런 국가 간 공동연구의 축소는 비단 EU 국가만 한정되는 것이 아니라 세계 각국은 자국 중심의 연구 환경이 조성하여 냉전 시대로 회귀하게 되었다. 바이오 관련 혁신 방향으로 생물다양성의 신규목표, 유전자 편집(CRISPR)을 이용한 질병 치료제 임상시험 활성화, 고대 단백질 분석을 통한 화석연구, 인간에게 동물 장기를 유전자 편집하여 이식하는 이종 장기이식의 임상시험, 캘리포니아 재생의학연구소(California Institute for Regenerative Medicine, CIRM)의 줄기세포 기금 30억 US$ 채권발행과 CIRM 유지를 위해 55억 US$ 채권 발행승인 예정 등의 5가지는 긍정적인 평가를 받고 있었지만, 최초의 알츠하이머 치료제로 FDA에 승인된 아두카누맙(Aducanumab)의 임상 3상 결과에 선정평가 전문가 불복은 과학계를 실망하게 만들었다(Science, IN BRIEF : What’s coming up in 2020, 2020.1.3.).  

<2021년 바이오 과학기술의 혁신성과>

  사이언스(Science)지 독자가 선정하는 2021년 People’s Choice award를 통해서 10개의 과학혁신 기술을 선정하였다. 최고의 독자 선정을 받은 과학혁신 기술 1, 2, 3위는 모두 바이오 기술에서 차지하였는데, AI를 이용한 단백질 3차 구조예측(Protein structure prediction)이 투표 결과 39%를 차지하였고, 뒤이어 고대 토양 DNA (Ancient soil DNA)가 34%로 2위, 생체 내 CRISPR 유전자 편집(In vivo CRISPR)이 27%로 3위를 차지하여 바이오 분야에 대한 일반인의 관심을 알 수 있었다. 특히, 10개의 혁신 기술 중 바이오 관련 기술이 70%인 7개를 차지하여 바이오 과학기술 중요성과 빠른 속도의 혁신적인 연구 성과가 주목을 받고 있음을 알 수 있었다. 바이오 이외의 과학기술 혁신성과는 태양 핵융합에너지, 화성의 핵의 비밀, 입자가속기 표준모델이 선발되었다. 2021년 바이오 분야 과학기술 혁신성과는 아래와 같다.

1) AI 이용 단백질 3차 입체구조 예측 (Protein 3D structure prediction)

 단백질을 구성하는 아미노산의 서열만 알면 가까운 미래에 단백질의 3차 입체구조를 예측할 수 있다고 한 1972년 노벨상 수상자 크리스티안 안 핀센(Christian Anfinsen)의 수상소감으로 말한 지 50년이 작년 2022년에 AI 기반 소프트웨어로 정확한 단백질 3차 입체구조를 예측하는 데 성공하였다. 최근까지 단백질의 3차 입체구조를 결정하는데, 몇 년이 걸릴지 예측하기도 어려워 심지어 “예술”이라고 표현할 정도로 어려웠다. 

단백질의 3차 입체구조는 단백질의 기능을 예측할 수 있어서, 생명현상에 대한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 구조와 기능을 활용하여 유망한 신약 개발을 쉽게 할 수 있다. 개발된 단백질 3차 입체구조 소프트웨어는 Google 자회사인 DeepMind사에서 개발한 “AlphaFold2”(그림1.)와 미국 워싱턴 대 David Baker교수팀의 “RoseTTAFold”가 단백질 3차 입체구조를 우수하게 규명하였다. DeepMind사는 인체에서 발견된 350,000개의 단백질의 구조를 분석하여서, 인간이 가진 모든 단백질의 44%의 구조와 기능을 알게 하였다. 단백질 구조결정 소프트웨어인 “AlphaFold2”와 “RoseTTAFold”가 공개됨에 따라 실제 연구에 활용한 많은 예 중, 가장 대표적인 예로 코로나19 변이주인 오미크론 변이의 스파이크 단백질 돌연변이 효과를 모델 링 하는데 DeepMind사의 “AlphaFold2”를 사용하였다. 

2) 고대 토양 DNA로 생명의 나이를 안다(Ancient soil DNA comes of age)

오래된 고대의 토양에서 DNA를 발견하였고, 2021년 동굴의 흙에서 인간을 포함한 환경 DNA를 추출한 “dirt DNA(토양 DNA)”로 고대 생태계를 재구성할 수 있다. 특히, 토양 DNA를 분석하는 기술이 계속 진보하면서 고대 종 생물의 생존/멸종의 원인을 알 수 있어서 인류의 미래를 예측하고, 종 생존의 비밀을 밝힐 수 있을 것으로 기대하고 있다.

3) 유전자 편집(CRISPR)기술로 생체 내 유전자 교정(CRISPR fixed genes inside body)

 유전자 편집 도구인 CRISPR는 작물에 불필요한 유전자 제거로 작물 품질을 향상시키는데 많이 사용되었는데, 2020년 유전성 혈액질환 환자에게서 결함이 있는 혈액 줄기세포를 제거한 뒤, 유전자가 옳게 편집된 줄기세포를 주입하는 임상에 성공하면서 질환 치료에 관심이 커지게 되었다. 결국, 지금까지의 CRISPR는 생물체의 체외에서 유전자를 편집하여 수정된 유전자를 체내로 주입하는 형태였다. 하지만, 2020년 CRISPR를 직접 인체에 주입하여 인체 내에서 치료하는 방식으로 유전적으로 실명한 환자의 시력을 개선하여 유전자 편집을 생체 내에서 직접 교정하였다. 앞으로 CRISPR를 인체나 생체 내에서 잘 작동하게 효율적인 전달 시스템이 개발되면 체내에서 질병 원인 유전자를 직접 편집하는 효율적 치료할 수 있을 될 것이다. 

4) 인공항체가 감염병을 치유한다(Artificial antibodies tame infectious diseases)

 일부 암에 자가면역 치료제로 사용되는 단일클론항체(Monoclonal antibodies)는 비록 아주 고가이지만 혁명적인 치유 효과가 입증되지만, 코로나19와 같은 감염병에는 단지 제한적인 성과가 있었다. 2020년 임상을 통해 코로나19, 호흡기 세포융합 바이러스(RSV), HIV 및 말라리아 등의 감염병 치료에도 항체가 효과가 인정되었고, 인공지능으로 단백질 3차 구조결정과 기능연구가 가능해져서 감염병에 관한 인공항체 연구가 활발해지면서 저렴한 가격으로 치료제가 개발될 것으로 전망한다. 

5) 코로나19를 치료하는 강력한 알약(Potent pills boost COVID-10 arsenal)

 코로나19 대응에 백신을 사용한 예방이 근원적인 치료이지만, 이미 감염된 환자에게 복용하게 하여 증상을 완화하고 사망을 막아 주는 치료용 알약이 개발되었다. Merck사의 “Molnupiravir”는 예방 접종하지 않은 사람의 입원 또는 사망위험을 30% 감소시키고, Pfizer사의 “PF-07321332”란, 알약은 환자의 입원을 89%나 감소시켰다. 따라서 강력한 코로나19 치료 알약은 바이러스 감염병에 변이감염이 급증할 때는 중요한 방어 수단이 될 수 있다. 

6) 생물발달 연구의 창을 연 인공배양 배아(Embryo “husbandry” opens windows into early development)

 최근, 인간배아 연구에 대한 법적, 생명 윤리적 한계성을 리 프로그래밍 (Cell  reprogramming) 기술로 성체 세포를 배아로 역 분화시키는 체외배양기술이 개발되어 극복할 수 있게 되었다. 국제 줄기세포학회에서 14일 이상 실험실에서 인간배아 성장을 금지하는 조항을 완화 시키는 연구지침이 발표하여 연구가 활성화되면서, 유산이나 선천적 유전적 결함을 이해하여 치유하는데 새로운 가능성을 제시하고 있다. 

7) 환각제로 외상 후 스트레스장애(Post Traumatic Stress Disorder, PTSD) 치료법(A psychedelic PTSD remedy)

 우울증, 불안증 및 중독과 정신질환을 치료하기 위해 엑스터시(MDMA), Psilocybin등 환각제의 잠재력을 탐구하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2020년 11월 정신건강 관리회사인 Compass Pathways사는 233명의 치료 저항성 우울증 환자를 대상으로 독버섯에서 얻어진 환각제인 Psilocybin을 무작위로 실험한 결과 긍정적인 결과를 얻었다. 

<2022년 바이오 과학기술의 혁신성과>

사이언스에서 2022년 올해를 10대 혁신성과 중 가장 혁신적인 과학기술 성과를 제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope, JWST)이 선정되었다. 지구에서 46억 광년 떨어져 있는 수없이 많은 은하단 이미지를 그림 2.와 같이 볼 수 있다. 육각형의 빛을 내는 것은 가까운(?) 별이고 주황색 타원형이나 점과 같은 모양은 은하단이다. 우리 태양계가 속해 있는 은하(Milky Way Galaxy)는 태양과 같은 항성이 4,000억 개나 포함되어 있고, 지름이 10만 광년이니까 이번에 JWST로 관측한 은하단은 적어도 우리 은하에 4만 배 이상의 거리에 존재한다니까 정말 상상할 수 없는 크기이다. 

또한, 우리 태양계에 가장 멀리서 태양에 공전하는 행성인 해왕성이 토성과 비슷한 고리 모양과 메탄 얼음 구름을 선명하게 볼 수도 있다. 제임스 웹 우주 망원경 이외에 AI로 창의성을 만들어 기계학습으로 온라인에서 텍스트와 이미지를 쌍으로 분석하고 다시 AI로 창의적 이미지를 창의적 수준으로 만들 수 있어서 인공지능이 드디어 과학적 발견은 물론 예술적 표현도 가능하게 하였다. 지구는 수없이 많은 소행성이 충돌하여 지구상에 생물이 대멸종(Mass extinction)하는 엄청난 재난이 5번이나 겪었고 앞으로도 지구 생물체에 치명적인 위협이 되는 소행성 충돌 가능성은 얼마든지 가능하다. 소행성의 지구충돌을 막기 위한 모의실험을 하였다.

비교적 작은 폭 160m의 소행성인 Dimorphos를 향해 냉장고 크기의 인공위성을 초속 6km로 부딪치는 지구방어 실험인 “DART(Double Asteroid Redirection Test)”로 소행성 Dimorphos의 궤도를 변화시켰다. 즉, 지구충돌이 우려되는 소행성을 방어하는 첫 번째 모의시험에 성공하였다.

2022년 총 10개의 과학기술 혁신성과 중 바이오 혁신 이슈는 6개로 60%를 차지하고 아래와 같이 바이오 분야의 이슈를 발표하였다. 

1) 다년생 쌀 개발로 효율적 농업생산 약속(Perennial rice promises easier farming)

 중요한 식량작물인 쌀 밀, 옥수수는 수확할 때마다 다시 파종하여 노동력이 많이 들고 효율성이 낮다. 마치, 매년 사과를 수확하듯이 다년생 식량작물이 있다면 농업의 생산과 효율성을 높일 수 있을 것이다. 중국 윈난 대학에서 개발한 다년생 쌀(Perennial Rice 23)의 생산량을 측정하는 대규모 실험에서 정기적으로 매년 파종하는 쌀과 같은 양의 쌀을 생산할 수 있었다. 

2) 놀랍게 몸이 큰 미생물(A surprisingly massive microbe)

 원핵생물인 박테리아는 대략 개미 크기(2mm)의 1/1,000로 2㎛ 정도이고 세포 내 구획(핵막)과 소기관( 골지체, 미토콘드리아 등)이 없는 것이 특징이다. Thiomargarita magnifica 라는 단일 실 모양의 원핵생물은 같은 원핵생물인 박테리아보다 5,000배 커서 개미 크기의 10배 이상이고 세포 내 구획과 소기관을 가지고 있어서 하등의 원핵생물과 동식물과 같은 고등생물인 진핵생물의 중간 형태로 추정되어 박테리아와 같은 하등생물에서 수십억 년 전 진화한 형태로 추정하고 있다. 

3) 완성을 앞둔 RSV 백신(RSV vaccines near the finish line)

 호흡기 세포융합 바이러스(Respiratory Syncytial Virus, RSV) 백신은 50년 전 임상시험에서 2명의 어린이가 사망하면서 개발이 중단되었다. RSV에 걸려 큰 타격을 받은 유아와 노인용 2가지 백신이 대규모 임상시험에서 안전하게 백신 역할을 한다는 임상시험 결과로 2023년에는 FDA와 같은 규제당국에서 승인을 받을 것으로 기대한다.

4) 다발성 경화증 원인 바이러스 지목(Virus fingered as cause of multiple sclerosis) 

 수없이 많은 군대 의료기록을 분석하여 발병 원인을 모르던 다발성 경화증(Multiple Sclerosis, MS)이 어린 시절 감염된 Epstein-Barr Virus(EBV)가 특정 백혈구에 잠복했다가 발병하는 것을 밝혔다. EBV는 타액으로 전파되는데 건강한 사람에게는 특별한 증상이 없지만, 면역력이 떨어지면 만성 EBV 감염이 되면 암을 유발할 수 있다. 즉, 그동안 몰랐던 EBV 표적 신약 개발이 가능하여, 이미 개발된 EBV 백신중에서 MS에 효과가 있음을 발견하였다. 효과가 입증된 이미 개발된 백신을 전 세계 어린이에게 접종한다면 다발성 경화증도 소아마비처럼 지구에서 영원히 추방할 수 있을 것이다.

5) 유럽인 유전자에서 발견된 흑사병 흔적(Black Death’s legacy detected in the genes of Europeans)

 흑사병으로 700년 전, 유럽 인구의 절반이 사망한 무서운 감염병인데, 치명적인 흔적을 찾기 위해 흑사병 전염 전후와 펜데믹 도중에 매장된 500명 이상의 뼈 DNA에서 면역 관련 보호 유전자인 ERAP2 변이를 확인한 결과 ERAP2 유전자변이는 흑사병 이후 100년 동안 유럽에 빠르게 확산하였다. ERAP2 변이가 생기면 전체 길이의 ERAP2 전사 체 사본을 더 많은 생성하여 감염병을 방어하는 단백질을 많이 만들어 흑사병을 방어하는 능력이 향상된다. 실제, 변이가 있는 사람이 그렇지 않은 사람에 비해 흑사병에 생존할 가능성이 40% 이상 높았다. 대표적인 인간 유전체를 전염병이 편집한 대표적인 자연선택의 예(Nature, 2022.10)가 되고 있다.

6) 200만 년 전 환경 DNA로 재구성한 고대 그린란드 생태계 (Ancient ecosystem reconstructed from 2 million year old DNA) 

 과학자들이 그린란드 북쪽 동토의 퇴적층에서 최소한 200만 년 전 DNA 조각을 발견하여 분석한 결과 135종 (Species)의 생물을 찾아내었다(그림 3.). 놀랍게도 지금은 북극이지만, 그 당시는 순록과 산토끼의 서식지였는데 이런 조건은 기온이 11~19℃ 정도로 추정한다. 하지만, 투자나무, 자작나무, 포플러나무 같은 북극 식물과 전나무와 삼나무와 같은 따뜻한 기후에서 사는 식물이 혼재되어있는 놀라운 사실도 발견(Nature 2022.12)하였다. 이런 현상은 그 당시 동식물이 극적 기후변화의 시기에 생존했기 때문이고, 이런 동식물의 DNA에서 우리가 겪을 수도 있는 기후 온난화에 적응할 수 있는 비밀을 간직한 유전자 로드맵을 기대한다. 

<과학계가 실망한 2021, 2022년 3대 사건(Scientific Breakdown)>

 잘못된 과학적 연구 결과와 과학기술 진보에 나쁜 영향을 주는 실망스러운 사건은 주로 정치적 문제 발생으로 연구 환경을 악화시켜 과학계를 실망하게 하는 2021년 3대 사건의 원인이 되는 것을 알 수 있었다.

첫 번째는 미국이 지구 온난화를 막기 위해 온도상승을 2℃ 이하로 유지하는 기후변화 대응 목표(Hope dims for climate target) 달성이 불확실하게 된 것이다. 전 세계 탄소 배출량의 2위를 차지하는 미국이 기후변화를 막기 위한 온실가스 배출을 감축하려는 파리기후변화 협약을 2019년 11월 탈퇴한다고 트럼프 대통령이 공식적으로 통보하면서 지구 온난화를 극복하려는 희망이 거의 없어지면서, 과학자들은 인류 공동체와 생물생태계에 치명적인 피해를 줄 것으로 예측하였다.하지만, 곧바로 미국 대통령으로 당선된 민주당 바이든 대통령이 2020년 11월 당선되면서 미국 인플레이션 감축 법(Inflation Reduction Act)을 통과하여 지구 기후 온난화를 늦추는 법안을 마련하였다.두 번째는 미국 FDA에서 기대 이하의 선정으로 세계 최초의 알츠하이머 치료제 승인(Alzheimer‘s drug prompts outrage)한 데에 대한 실망감, 세 번째는 탈레반에 위협받은 아프가니스탄 과학자(Scientists under fire)를 보면서 큰 실망하였다.

2022년에는 첫 번째로 중국 제로-코로나 정책 폐기(Zero COVID no longer work)는 엄격한 봉쇄와 경제 압박으로 국민을 좌절시키고, 자국 생산 백신 접종을 고수하여 코로나19 대응에 취약성 나타내었다. 두 번째는 미중 과학기술 패권 경쟁(Science ties fray)의 심화로 국제 과학협력 생태계를 좌초시켰다. 세 번째는 러시아 우크라이나 전쟁으로 과도한 CO2 배출량을 증가(War boosts CO2 emission) 시켰다는 점을 선정하여 발표(BioINwatch(22-1, 22-89) 하였다.

<맺는말>

 2021/2022년의 과학기술 혁신성과에서 바이오 이슈가 획기적으로 많이 선정된 것은 코로나19의 펜데믹으로 생명의 중요성이 강조되고 있음을 알 수 있고, 고질적 감염병에 대한 근원적 예방/치료의 중요성이 부각 되었다. 최근 획기적으로 늘어나고 있는 수명을 건강하게 살아갈 수 있게 하는 재생공학에 사용하는 줄기세포 기술과 유전적으로 문제가 있는 유전자를 편집하는 기술을 활용하여 놀라운 성과를 내고 있다. 이미 최첨단화된 유전자 분석기술을 활용하여 고대 토양 DNA에서 고대 생물 종의 멸종/생존의 비밀을 풀고 있을 뿐만 아니라, 과거의 인류에 막대한 피해를 준 질병(흑사병)에서 살아난 원리를 발견하여 미래에 유행할 수 있는 질병을 퇴치하는 방법을 배우고, 북극 동토에서 고대의 생물 환경 계를 재현하여 미래에 발생할 수 있는 기후변화로 일어나는 환경변화에서도 생존할 수 있는 자연의 지혜를 배운다. 

 과학계를 실망하게 한 사건은 주로 국제정치 환경에 따라 크게 바뀔 수 있어서 미래 후손에게 물려줄 이상적인 지구환경은 국가와 사회 및 구성 인간 간의 건전한 공동체 의식이 중요하다는 것을 알 수 있다. 비록 바이오 분야는 아니지만, 2022년 최고의 혁신 과학기술로 선정된 제임스 웹 우주 망원경으로 볼 수 있는 빛의 속도로 가더라도 46억 년이란 엄청난 시간이 필요한 상상할 수 없는 먼 거리에 존재하는 수없이 많은 은하단의 사진을 보면서 그중 아주 미미한 단지 한 개의 알갱이인 먼지와 같은 우리가 사는 은하계에도 태양계와 같은 항성이 4,000억 개나 있다고 하니 광활한 우주는 이미 인간이 생각하는 무한한 상상의 한계조차도 티끌처럼 작은 것으로 생각된다.

특히, 우리 태양계에서 가장 멀리 떨어져 있는 해왕성의 사진을 눈으로 볼 수 있는 호사를 누렸다. 사이언스 독자가 좋아하는 인기 뉴스 스토리도 AI 도청을 방지하는 AI, 매우 오래전에 인간에 침입한 바이러스가 오히려 인간의 태반을 보호한다는 이이제이(以夷制夷), 잃어버린 고대 인류 역사를 담고 있는 DNA 분석으로 미래의 지구를 구할 수 있는 지혜를 배우려는 노력에 많은 관심을 가졌다. 45억 년의 역사를 가진 지구상의 자연과 현존 또는 멸종된 생물의 생존 전략에서 지금 인류가 이룩한 과학기술보다 더 많은 지혜를 얻을 수 있을 것이라는 엉뚱한 생각을 하여 본다.

<ifsPOST>​