코로나19 치료제, '인공단백질' 디자인 성공
코로나19 치료제, '인공단백질' 디자인 성공
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.30 13:40
  • 조회수 360
  • 댓글 0
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DGIST 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터와 핵심단백질자원센터는 새로운 코로나19 치료제 인공단백질 11가지 후보들의 아미노산 서열과 3차원 구조를 슈퍼컴퓨팅 디자인했습니다. 이들은 원자차원의 슈퍼컴퓨팅 시뮬레이션을 이용했는데요. 코로나19 바이러스 표면의 스파이크 돌기 RBD 단백질이 인간세포 hACE2 수용체 단백질에 결합하지 못하도록 중화 작용을 하는 게 포인트입니다.

 

디자인된 11가지 치료제 후보 인공단백질들의 생산 공정 확립, 자체 생산 및 중화 기능 분석과 인간 세포 독성 분석을 완료하고 특허를 출원했습니다.

코로나바이러스 감염에 반응하는 항체 그림. 출처: GETTY IMAGES, SCIENCE PHOTO LIBRARY
코로나바이러스 감염에 반응하는 항체 그림. 출처: GETTY IMAGES, SCIENCE PHOTO LIBRARY

슈퍼컴퓨터 이용해 코로나19 치료제 설계하다

 

기존 코로나19 치료제 개발은 이미 개발된 약물을 이용하는 '약물 재창출', 완치자 혈액 속 항체를 이용하는 '혈장 치료제', 세포주를 이용해 코로나19 바이러스에 반응하는 항체를 개발하는 '항체 치료제', 화학합성 물질을 이용한 '신약 개발'이 주를 이뤘습니다. 각 방법들은 치료제 개발 난이도, 개발 기간, 개발 비용과 효능 및 안전성 등에 따라 서로 다른 장단점을 지니며, 연구 및 임상 결과로는 아직까지 성공적인 코로나19 치료제는 없는 상황입니다. 

코로나19 바이러스 표면의 스파이크 돌기 RBD 단백질(빨간색)과 인간 세포 표면 hACE2 수용체 단백질(파란색)의 결합 도식도. 출처: DGIST
코로나19 바이러스 표면의 스파이크 돌기 RBD 단백질(빨간색)과 인간 세포 표면 hACE2 수용체 단백질(파란색)의 결합 도식도. 출처: DGIST

이에 DGIST 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터 연구진들은 기존 코로나19 치료제 개발 방법과는 전혀 다른 방식으로 원자차원 슈퍼컴퓨팅 시물레이션과 통계열역학 및 생물물리학을 이용해 코로나19 바이러스의 스파이크 돌기 RBD 단백질과 인간 세포 hACE2 수용체 단백질의 구조에 기반을 둔 치료제 후보 인공단백질들의 구조를 슈퍼컴퓨팅 계산을 통해 디자인했습니다.  디자인된 11가지 치료제 후보 인공단백질들에 대해 구조적, 열역학적 및 면역원성적 안정성에 대한 계산과학적 검증을 마쳤습니다. 

 

DGIST 핵심단백질자원센터 연구진들은 슈퍼컴퓨팅 디자인된 치료제 후보 인공단백질의 클로닝, 발현, 정제, 생산 공정을 개발하고 자체 생산을 진행했습니다. 그 결과, 현재 총 11가지 단백질들 중 7가지는 고순도 생산을 완료했고 나머지 4가지는 곧 생산 완료될 예정입니다. 생산된 단백질들에 대해서는 고급 질량(MALDI-TOF, Q-Exactive, Q-TRAP) 분석과 원편광 이색성(Circular Dichroism) 분석을 실시해 단백질의 질량, 아미노산 서열의 정상 여부 및 단백질 2차 구조의 안정성을 확인했습니다.

인공단백질의 중화작용 도식도. 출처: DGIST
인공단백질의 중화작용 도식도. 출처: DGIST

또한 생산된 치료제 후보 단백질과 코로나19 바이러스 스파이크 돌기 RBD 단백질 사이의 결합 상수를 미세규모 열영동(MicroScale Thermophoresis) 실험을 통해 측정했습니다. 그 결과, 치료제 후보 인공단백질들이 인간세포 hACE2 수용체 단백질과 스파이크 돌기 RBD 단백질 사이에 기존에 알려진 결합 상수와 비교해 유사하거나 더 강하게, 스파이크 돌기 RBD 단백질에 결합한다는 것을 확인했습니다. 이를통해 생산된 치료제 후보 단백질들이 스파이크 돌기 RBD 단백질을 중화하는 기능을 보유했다는 사실을 확인했습니다. 또한 생산된 인공단백질 중에 PEP9 단백질을 6가지 인간(배아 신장, 간, 뇌 면역, 폐, 신장, 폐암) 세포주에 투여해 독성이 발생하지 않아 안전성을 확보했습니다.

 

장익수 센터장은 "DGIST 연구진들이 개발한 코로나19 치료제 후보 단백질들의 효능을 검증하기 위해 곧 BSL3급의 코로나 바이러스 실험 및 전임상 실험을 실시할 계획이다"며 "앞으로 진행될 세포주, 동물 및 인간에서 코로나19 바이러스에 대한 치료제 후보 단백질의 효능분석 연구의 결과에도 큰 기대를 갖고 있으며 이를 위해 정부, 과기계 및 민간의 적극적인 공동연구개발 참여와 지원이 필요하다"고 밝혔습니다.


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