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[바이오토픽] 2018 노벨화학상: 시험관 속의 진화
생명과학 양병찬 (2018-10-04 10:21)
한 명의 영국인과 두 명의 미국인이, 진화원리를 이용하여 신약개발 및 치료에 사용될 수 있는 단백질을 만든 공로를 인정받았다.

왼쪽부터 차례로 프랜시스 H. 아놀드, 조지 P. 스미스, 그레고리 P. 윈터

왼쪽부터 차례로 프랜시스 H. 아놀드, 조지 P. 스미스, 그레고리 P. 윈터 (출처: AP)

2018년 10월 3일, 스웨덴 왕립과학아카데미는 미국의 프랜시스 H. 아놀드; 미국의 조지 P. 스미스, 영국의 그레고리 P. 윈터 경에게 「2018 노벨화학상」을 공동으로 수여하기로 결정했다. 프랜시스 아놀드는 '효소의 유도진화(directed evolution)' 방법을, 조지 스미스와 그레고리 윈터는 '펩타이드와 항체의 파지제시(phage display)' 방법을 개발한 공로를 인정받았다.

개요

진화의 힘은 생명의 다양성을 통해 드러난다. 2018 노벨화학상 수상자들은 진화의 힘을 장악하여, 인류에게 가장 큰 혜택을 가져다줄 목적으로 사용했다. 유도진화를 통해 생성된 효소들은 바이오연료(biofuel)에서부터 의약품에 이르기까지 모든 것을 만드는 데 사용된다. 파지제시라는 방법을 이용하여 진화한 항체는 자가면역질환과 싸울 수 있고, 어떤 경우에는 전이암(metastatic cancer)을 치료할 수도 있다.

진화의 힘

37억 년 전 생명의 씨앗이 처음 싹튼 이후, 지구의 거의 모든 틈새들은 상이한 생명체들로 가득 채워졌다. 생물은 온천, 심해, 건조한 사막 등으로 퍼져나갔는데, 이 모든 것은 진화가 수많은 화학적 문제들을 해결했기 때문에 가능했다. 생명의 화학도구, 즉 단백질은 진화를 통해 최적화·변화·갱신됨으로써 놀랄 만한 다양성을 확보하게 되었다.

올해의 노벨화학상 수상자들은 진화의 힘에서 영감을 얻어, 그 원리(유전적 변화와 선택)를 이용하여 인간의 화학적 문제를 해결해 주는 단백질을 개발하는 성과를 거뒀다.

유도진화

2018 노벨화학상의 절반은 프랜시스 H. 아놀드에게 돌아갔다. 그녀는 1993년 효소(화학반응을 촉매하는 단백질)의 유도진화에 처음으로 성공했다. 즉, 그녀는 효소를 생성하는 세균의 변이를 유도하는 방법을 고안해 낸 다음, 세균을 검사·선별함으로써 효소의 진화를 가속화했다.

그림으로 보는 노벨상 #1
그림으로 보는 노벨상


프랜시스 아놀드의 유도진화

① 바꾸고자 하는 효소의 유전자에 무작위 변이를 도입한다.
② 유전자를 세균에 삽입하면, 세균은 유전자를 주형으로 이용하여 무작위변이 효소를 만든다.
③ 변형된 효소를 테스트하여, 원하는 화학반응을 가장 효율적으로 촉매하는 효소를 선택한다.
④ 선택된 효소의 유전자에 새로운 무작위 변이를 도입하여 사이클을 반복한다.
https://twitter.com/NobelPrize/status/1047423265394909184/photo/1

그 후 그녀가 방법을 지속적으로 세련화한 덕분에, 이제 과학자들은 유도진화를 일상적으로 이용하여 새로운 촉매를 개발하고 있다. 프랜시스 아놀드가 개발한 효소는 화학물질(예: 의약품)의 환경 친화적 생산과 친환경수송을 위한 재생에너지 생산 등에 응용되고 있다.

참고로, 아놀드는 최근 50년 동안 노벨화학상을 받은 두 번째 여성이다. 직전에 노벨화학상을 받은 여성은 아다 요나스로, 2009년 리보솜의 구조를 매핑한 공로를 인정받았다. 요나스 전에는 1964년 도로시 호지킨이 노벨화학상을 받았다. 이로써, 노벨화학상을 통틀어 여성 수상자는 모두 다섯 명이 되었다(☞ http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=298099).

파지제시

2018 노벨화학상의 나머지 절반은 조지 P. 스미스와 그레고리 P. 윈터 경에게 각각 1/4씩 돌아갔다.

조지 스미스는 1985년 파지제시라는 우아한 방법을 개발하여, 박테리오파지(세균을 감염시키는 바이러스)로 하여금 새로운 단백질을 진화시키도록 만들었다.

그림으로 보는 노벨상 #2



조지 스미스의 파지제시

① 스미스는 파지 캡슐의 특정 단백질 유전자에 유전자 하나를 도입했다. 다음으로, 파지의 DNA는 세균에 삽입되어 증식했다.
② 도입된 유전자에서 만들어진 펩타이드는, 궁극적으로 파지 표면에 있는 캡슐 단백질의 일부가 되었다.
③ 스미스는 펩타이드에 결합하도록 설계된 항체를 이용하여 파지를 낚시질할 수 있었다. 그리고 보너스로, 그 펩타이드의 유전자를 얻었다.

https://twitter.com/NobelPrize/status/1047423370319593472/photo/1

그레고리 윈터는 새로운 의약품을 만들 요량으로, 파지제시를 이용하여 항체를 유도 진화시켰다. 이 방법에 기반한 최초의 의약품인 아달리무맙(adalimumab)은 2002년 승인되어, 류마티스관절염, 건선(psoriasis), 염증성장질환(IBD: inflammatory bowel disease) 치료에 사용되고 있다. 그 이후 파지제시는 항체 생산에 이용되어, 독소를 중화시키고 자가면역질환과 싸우며 전이암을 치료하는 데 기여하고 있다.

그림으로 보는 노벨상 #3
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그레고리 윈터 경, 파지제시를 이용하여 치료용 항체를 만들다.

① 항체의 결합부위에 대한 유전적 정보를 파지의 DNA에 삽입한다. 그리하여 어마어마하게 다양한 항체의 라이브러리를 만든다.
② 특정한 표적에 강력하게 결합하는 파지를 선택한다.
③ 표적에 결합한 항체에 무작위 변이를 도입한 다음, 선택을 반복한다.
④ 한 번 선택을 거칠 때마다, 항체는 표적 단백질에 더욱 특이적으로 결합하게 된다.

https://twitter.com/NobelPrize/status/1047423452922224640/photo/1

현황과 전망

우리는 유도진화 혁명의 초창기에 있다. 현재 유도진화는 다방면으로 발달하고 있으며, 장차 인류에게 엄청난 혜택을 가져다 줄 것으로 기대된다.

수상자 약력

프랜시스 H. 아놀드. 1956년 미국 피츠버그에서 출생. 1985년 UC 버클리에서 박사학위 취득. 현재 칼텍에서 화학공학/생명공학/생화학 교수를 지내고 있다(http://fhalab.caltech.edu).

조지 P. 스미스. 1941년 미국 노워크에서 출생. 1970년 하버드 대학교에서 박사학위 취득. 현재 컬럼비아 주 소재 미주리 대학교에서 생명과학 명예교수를 지내고 있다(http://biology.missouri.edu/people/?person=94).

그레고리 P. 윈터 경. 1951년 영국 레스터에서 출생. 1976년 케임브리지 대학교에서 박사학위 취득. 현재 케임브리지 소재 MRC 분자생물학연구소에서 명예 선임연구원으로 활동하고 있다(www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/group-leaders/emeritus/greg-winter/).

※ 출처: Kungliga Vetenskapsakademien(The Royal Swedish Academy of Sciences) 보도자료 https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/press-chemistry2018.pdf

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로 활발하게 활동하...
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