1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

최악의 전염병으로 전 세계가 고통받고 있는 코로나바이러스 감염증-19 (COVID-19)로 인한 팬데믹은 아직까지도 현재 진행형 질병입니다. 코로나19 바이러스 감염증이 유행하기 시작하면서 영국, 미국, 독일 등의 전 세계 연구소 및 기업의 과학자들과 전문가들은 화이자(Pfizer), 모더나(Moderna), 얀센(Johnson & Johnson), 아스트라제네카(AstraZeneca) 등의 여러 백신을 개발하였으며, 전 세계적으로 백신접종이 이루어졌습니다. 백신 접종이 진행되고 있음에도 확진자는 지속적으로 발생하고 있으며, 재감염이 발생하는 등 코로나 바이러스 변이체의 등장으로 재유행이 예견되고 있습니다. 2020년에 개발된 백신은 크고 작은 부작용이 나타나고 있으며, 오미크론 (omicron)과 같은 새로운 코로나19 바이러스의 변이체에는 큰 효과를 보기 어렵다는 문제점이 있습니다. 이에 여러 전문가들 사이에서 백신 업데이트를 진행하고 있으며, 현재 출시되어 재접종이 진행 중입니다.

인간 사이클로필린 (human cyclophilin A; hCypA) 단백질은 바이러스의 주기에 매우 중요한 영향을 미치는 단백질 중 하나로, 숙주세포 내에서 바이러스 복제에 관여하여 사이클로필린 억제제인 사이클로스포린 (cyclosporine)을 이용하여 바이러스의 복제를 억제할 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 hCypA 단백질이 SARS-CoV-2에 미치는 영향에 대해서 확인하고자, hCypA와 SARS-CoV-2의 상호 작용을 3차원 구조분석을 통하여 분석하였습니다.

연구팀은 3차원 구조분석을 기반으로 hCypA 단백질이 SARS-CoV-2 표면 단백질인 스파이크 단백질, 특히 인간 ACE2 수용체에 직접 결합하는 부위인 RBD(Receptor Binding Domain)에 결합하는 것을 확인하였습니다. hCypA 단백질은 SARS-CoV-2의 스파이크 단백질 (Spike protein)을 통해 인간 ACE2(human Angiotensin Converting Enzyme2) 수용체에 결합해 세포 내로 침투하는 기작을 방해하여 바이러스가 표적 세포로의 감염을 억제시키는 중화능을 보이는 것으로 확인되었습니다. In vitro에서도 hCypA 단백질과 코로나바이러스의 RBD가 강력하게 결합하는 것을 확인하였으며, hCypA가 결합된 RBD는 ACE2 수용체 단백질에 결합력이 감소하는 것을 확인하였습니다. 추가적으로 구조분석을 통하여 SARS-CoV-2 바이러스 뿐만 아니라 변이 바이러스 (alpha, beta, gamma, epsilon, kappa, lambda, omicron, deltacron)에서도 중화효능이 나타나는 것을 확인하였습니다. 이도 동일하게 in vitro 에서도 hCypA 단백질이 변이 바이러스 RBD에 결합하고 ACE2 수용체 단백질과의 결합력을 방해하는 것으로 나타났습니다. 확인된 hCypA 단백질의 중화효능을 코로나19 감염증 중화항체 진단 키트를 이용하여 코로나19 및 변이 바이러스에서 효과가 있음을 실험적으로 입증하였습니다. hCypA 단백질은 코로나 바이러스에 대응할 수 있는 코로나19 치료 후보물질로 기대하고 있으며, 이번 연구에 활용된 3차원 구조분석 기술은 단백질 결합부위에 대한 정보를 얻을 수 있어 신약을 발굴하는 새로운 방법으로서 그 응용성이 넓게 활용할 수 있습니다.

본 연구를 진행하면서 한가지 있었던 에피소드는 논문을 처음 준비했을 때는 SARS-CoV-2 바이러스와 몇가지 변이체에 대해서만 진행을 하였었는데, 논문을 준비하는 과정에서 새로운 변이체가 나타나고, 또 그 변이체에 대해서 구조분석과 in vitro 실험을 진행하여 다시 논문을 준비하였습니다. 다시 논문을 준비하는 동안 새로운 변이체가 등장하는 과정이 여러 번 반복되었던 기억이 있습니다. 변이체가 등장하면서 재유행이 나타나고, 몸과 마음이 같이 지쳤던 기억이 있지만, 그럼에도 불구하고 신규 변이체와 hCypA 단백질 간의 상호작용에 대한 궁금증으로 논문을 마무리 지을 수 있었던 것 같습니다. 현재까지도 새로운 변이체가 등장하고 있기 때문에 코로나-19가 종식되기 전까지 계속 연구를 진행할 예정입니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

충북대학교 자연과학대학 미생물학과 시스템생물학실험실은 시스템생물학 기반 다양한 생명체 내 대사체 흐름의 종합적인 분석 연구를 통한 생명기작의 원리를 이해하고, 획득한 유용유전자 및 단백질의 단백질-단백질, 단백질-DNA 단백질-RNA 상호작용 등의 대사생리적 특성 및 분자 생화학적 구조 및 기능분석을 통한 신규 의료용 진단 바이오마커 및 항체 개발을 위한 단백질 나노입자 개발 및 바이오센서 시스템 기술개발 등의 원천기반기술 개발을 수행하고 있으며, 김양훈 교수님 중심으로 박사 후 연구원과 그리고 학위과정 학생들이 기초연구부터 이를 활용한 응용연구까지 폭넓은 연구를 수행하고 있습니다.

DNA/RNA 앱타머 (aptamer)기술을 기반으로 난치성 질환 및 환경성 질환 대상 차세대 치료제 후보물질 발굴 탐색 및 발병 메카니즘 규명 연구, 각종 인체질환 타겟용 DNA/RNA 앱타머 초고속 스크리닝 기술 및 in vitro/in vivo 독성평가 응용 기술 개발, 인체질환 조기진단 및 예후용 앱타머바이오칩 기술개발, 환경독성 중금속 검출용 신개념 앱타머나노바이오센서 (aptasensor)기술 개발 연구, 표적단백질 및 표적단백질-앱타머 결합 구조분석을 위한 단백질-앱타머 복합체 모델링 및 X-ray 결정학 3차원 구조분석 연구를 진행하는 연구실 입니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

코로나19 팬데믹이 발생하면서 전 세계는 진단과 방역에 의존하며 최대한 코로나19의 감염을 늦추고 수많은 연구진들과 의사분들이 치료제와 백신 개발에 많은 노력을 하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 새로운 변이체의 등장으로 재확산이 일어나는 등 현재까지도 예측하기 매우 힘든 것이 현실입니다. 이번 연구를 통해서 하나의 연구가 완성되기까지 정말 많은 노력과 시간이 들어간다는 것을 알게 되었습니다. 논문이 완성되기까지 정말 많은 우여곡절이 있었으나 끝까지 포기하지 않고 도전하고 노력하면 좋은 결실을 얻을 수 있었던 것 같습니다. 앞으로도 포기하지 않고 새로운 것에 도전하고 노력하면서 한계를 극복하는 연구를 진행하여 다양한 분야에 도움이 되고 싶습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

구조분석을 기반으로 여러 질환 대상 차세대 치료제 후보물질을 발굴하고 발병 메커니즘을 규명하는 연구를 진행함에 있어서 창의력 있는 아이디어를 구축하고 이를 도전할 수 있는 용기가 매우 중요하다고 생각합니다. 여러 연구진들 과의 의논, 고찰을 통해서 배우고 도전함으로써 새로운 아이디어와 좋은 연구가 탄생하는 것이라 생각이 듭니다. 뿐만 아니라 연구를 함에 있어서 지치지 않는 체력과 정신력이 뒷받침되는 것 또한 매우 중요하다고 생각됩니다. 연구결과가 잘 나오지 않았다고 하더라도, 그 결과를 바탕으로 여러 의논과 다양한 고찰을 통하여 더 의미 있는 새로운 결과를 도출 할 수 있을 것이라 생각합니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

저는 내년 2023년에는 한국을 떠나 미국 University of Pennsylvania의 허동은 교수님 연구실에서 organ-on-a-chip을 활용한 앱타머의 질환 치료제 개발 연구를 수행할 예정입니다. 인체 환경을 모사한 organ-on-a-chip 기술을 활용하여 앱타머의 치료 효능 및 독성평가를 진행하고 이를 기반으로 인체 내에서의 효능을 평가하여 추후 앱타머 기반의 질병 치료제의 개발 및 상용화 기반기술로 활용하고자 합니다. 코로나19 감염증 뿐만 아니라 다양한 질환을 표적으로 이를 진단하고 치료할 수 있는 다양한 바이오소재 기반의 신규 후보물질 개발 연구를 통하여 질환으로 힘들어하고 계시는 분들께 실질적으로 도움이 될 수 있는 다양한 연구를 수행하고 싶습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

다양한 연구를 할 수 있도록 항상 아낌없이 지원해주시고 지도해주신 김양훈 교수님, 안지영 교수님께 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 포기하지 않고 끝까지 믿고 지켜봐주시고 작은 것 하나도 의미 있게 만들어주셔서 항상 감사드리며 교수님들과 함께 연구를 할 수 있어서 영광입니다. 또한, 논문을 완성하고 마무리되기까지 정말 많은 도움을 주신 정동석 박사님, 민지호 교수님, 그리고 김상용 교수님께 진심으로 감사 말씀드리고 싶습니다. 교수님들의 지도와 도움에 좋은 결실을 맺게 되었습니다.

항상 챙겨주고 조언을 아끼지 않는 저희 연구실 선배님 엄현주 박사님, 박재민 박사님, 이상희 박사님, 명섭오빠, 경아언니, 문종오빠께 진심으로 감사 인사 드립니다. 그리고 저와 같이 불철주야 노력하는 시스템생물학연구실 학생들 인환, 진표, 희영, 주아, 도영, 수빈, 초임, 진영, 다솔 까지 너무 고맙고, 항상 응원하고 있다고 전하고 싶습니다.

마지막으로, 항상 믿고 기다려주신 저희 가족 아버지, 어머니, 그리고 동생들 너무 감사드리고 사랑합니다. 부모님의 사랑과 믿음 덕분에 지치지 않고 연구에만 전념할 수 있었습니다. 항상 도전하는 것을 두려워하지 않고 매일 새로이 배우고 겸손하도록 노력하겠습니다.