┃mRNA 백신이 가져온 새로운 패러다임

2023년 노벨 생리의학상 수상자 카탈린 커리코와 드류 와이즈만  ©Nobel Prize Outreach

  2023년 노벨생리의학상은 코로나19 예방에 효과가 있는 mRNA(messenger RiboNucleic Acid, 전령 리보핵산) 백신을 연구해온 과학자 카탈린 커리코(Katalin Kariko)와 드류 와이즈만(Drew Weissman)에게 돌아갔다. mRNA 백신 개발을 위한 핵심 연구를 담은 논문이 2005년에 발표된 이후 18년 만이다. mRNA 백신은 오랜 시간 연구되어 왔으나, 코로나19에 사용되고 나서야 전 세계적으로 유명해졌다. mRNA 백신은 오늘날 여러 다른 백신들과 비교해 코로나19에 가장 효과적이라고 평가된다. 높은 생산성과 효율성을 겸비한 mRNA 백신은 오늘날 코로나19뿐만 아니라, 오늘날 제약 산업의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓고 있다.  

mRNA 백신은 코로나19에 사용되면서 급격한 발전을 맞게 되었다.. ⓒGettyImages

  ┃mRNA 백신이란 무엇인가? 코로나19 예방에 사용된 mRNA 백신은 ‘핵산 백신’으로, 항원 단백질을 직접 우리 몸에 투입하는 것이 아닌, 단백질을 만들 수 있는 유전물질을 지닌 RNA를 몸속에 주입하여 직접 단백질을 만들도록 한다. 핵산이란 유전정보를 담고 있는 DNA 또는 RNA를 말한다. 이러한 핵산 백신은 ‘중심 원리(Central Dogma)’를 이용한다. 유전정보가 저장되어 있는 DNA는 전사를 통해 RNA의 한 종류인 mRNA를 만든다. DNA가 유전정보를 담는 ‘저장소’라면 mRNA는 유전정보를 토대로 단백질을 만들기 위한 ‘설계도’에 해당한다. mRNA는 세포 소기관인 리보솜에서 단백질로 번역된다. mRNA가 설계도라면, 단백질은 설계도에 따라 잘 만들어진 완제품과 같다. 이렇게 DNA와 mRNA를 거쳐 유전정보가 전달되고 단백질이 만들어지는 일련의 과정이 바로 ‘중심 원리’이다. 대부분의 생명체들은 이러한 중심 원리를 통해 유전정보를 담는 단백질을 만들어낸다.    

중심원리를 통해 유전물질을 가진 DNA가 전사되어 mRNA를 만들고, mRNA가 번역되어, 단백질을 만든다. 코로나19 백신은 중간 유전물질인 mRNA를 기반으로 개발되었다. ⓒGettyImages

  핵산 백신은 항원 단백질에 대한 유전정보를 담고 있는 DNA와 mRNA를 활용하여, 우리 몸속에서 면역반응을 일으키는 단백질을 만든다. 핵산 백신의 개발 초기에는 DNA 백신에 집중하는 경향이 강했다. DNA는 단백질을 만들기 위해 mRNA 대비 한 단계를 더 거쳐야 하기에 효율성은 떨어지지만, 안정성이 높고 당시에는 개발 가격도 저렴했기 때문이다. 반면에 mRNA는 매우 불안정한 물질로서 체내에서 쉽게 분해되고, 선천 면역반응을 불러와 의도치 않게 과한 염증 반응을 일으키는 등의 부작용이 우려되었다. 이러한 이유로 RNA 백신은 과거에 크게 각광받지 못했다.   ┃mRNA의 염기 변형, 2023 노벨 생리의학상의 핵심 연구 노벨 생리의학상을 수상한 카탈린 커리코와 드류 와이즈만은 1997년부터 펜실베니아 대학에서 mRNA를 활용한 HIV(인간면역결핍바이러스) 백신 개발을 위해 공동 연구를 시작했다. mRNA가 백신으로 개발되기 위해서는 체내에서 mRNA를 파괴하고 발현을 억제하는 선천 면역반응이 유발되지 않도록 해야 했다. 또한, mRNA가 분해되지 않고 잘 유지되어 전달될 수 있도록 안전성을 높여야 했다.

mRNA 기반의 코로나19 백신은 체내에서 스파이크 단백질을 만들어내고, 특이적인 면역 반응을 일으킨다. 이렇게 생긴 면역 반응이 우리 몸속에서 기억되었다가, 실제로 코로나19에 감염되었을 때 바이러스를 물리치는 역할을 한다. ⓒGettyImages

  두 과학자는 2005년 특정 염기를 변형한 뉴클레오사이드(핵산을 구성하는 기본 단위)로 mRNA를 만들어 내면서 선천 면역반응을 없애는 연구에 성공한다. mRNA를 구성하는 4가지 뉴클레오사이드 중 하나인 ‘유리딘(Uridine)’이라는 염기에 메틸기를 붙인 ‘메틸슈도유리딘(m1Ψ)’을 만들었다. 이렇게 변형된 유리딘으로 mRNA를 만들면 선천 면역반응이 발생하지 않는다는 사실을 발견한 것이다. 이후 2008년에는 변형된 mRNA를 생화학적인 방법으로 합성하는 데 성공하게 된다. 이러한 연구들은 훗날 코로나19를 물리치는 데 큰 공을 세운 mRNA 백신이 개발될 수 있는 기반을 마련하였고, 두 과학자가 2023년 노벨생리의학상을 수상하게 된 결정적인 연구가 되었다.  

코로나19 백신은 유리딘을 변형하여 만든 mRNA를 사용하여 제작되었다. 이를 통해 mRNA의 항원 단백질 생성을 억제하는 선천 면역반응을 피할 수 있었다. ⓒGettyImages

  또한, 여러 과학자들에 의해 mRNA를 보호하는 캡슐 역할을 하는 지질나노입자(Lipid Nanoparticle, LNP)가 개발되면서, mRNA의 안전한 전달이 가능해진 것도 mRNA 백신 개발의 성공에 결정적으로 기여하였다. 이러한 기술 발전을 통해, 선천 면역반응이 없으면서, 백신이 체내에서 안정적으로 전달되어 효과적으로 항원 단백질(스파이크 단백질)을 만들어내는 코로나19 mRNA 백신이 등장하게 된 것이다.     ┃mRNA, 제약의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓다 커리코와 와이즈먼은 mRNA 분야의 연구를 꾸준히 이어온 결과 2023년 노벨 생리의학상 수상이라는 영예를 안게 되었다. 훌륭한 두 과학자의 노력 끝에 개발된 mRNA 백신은 오랜 시간 주목받지 못했지만, 코로나19 예방에 크게 공헌하면서 새로운 빛을 보게 되었다.  

빠른 개발과 생산이 가능한 mRNA 백신은 오늘날 제약 산업의 패러다임을 바꾸어 놓고 있다. ⓒGettyImages

  mRNA 백신은 기술적으로 난이도가 높지 않고 소규모 시설에서도 생산이 가능하다. 이를 통해 빠른 백신 생산이 가능하고 생산 가격도 저렴하다. 따라서, 새로운 감염병이 등장하거나 변이를 일으키더라도 효과적으로 대응할 수 있다. 백신의 효과나 안정성 측면에서도 다른 백신에 뒤떨어지지 않는다. 이러한 장점들로 인해 코로나19 백신으로서 성공을 거둔 것이라고 할 수 있다. 무엇보다도 mRNA 백신은 플랫폼 기술로서, 신약 제조의 다양성과 생산성을 크게 높일 수 있어, 오늘날 제약 분야의 패러다임을 크게 바꾸어 놓고 있다. mRNA가 새로이 기능하도록 염기 서열을 바꾸어주기만 하면, 화학구조를 크게 바꾸지 않아도 신약을 쉽게 개발할 수 있다. 또한, mRNA 백신을 세포에 전달하는 기술은 한 번 확보하면 추가적인 개발을 필요로 하지 않는다. 대략적으로 비유하자면, 새로운 화학조성을 갖는 알약을 개발할 필요가 없이, 캡슐 속에 있는 가루약만 바꿔서 신약을 개발하는 식이라고 할 수 있다. 제약의 패러다임을 바꾸어 놓고 있는 mRNA 백신은 이제 코로나19를 넘어, 향후 항암 치료나 난치성 질환, 신종 바이러스 감염 등 다양한 질병에 폭넓게 활용될 것으로 기대되고 있다.