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질병 치료를 위한 인공단백질 개발
질병 치료를 위한 인공단백질 개발 저자 윤현영, 정희진 (홍익대학교)
등록일 2022.08.10
자료번호 BRIC VIEW 2022-T13
조회 1784  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
인공단백질은 인공적으로 설계된 아미노산 배열을 갖는 단백질 또는 기존의 단백질을 바탕으로 화학적 및 유전공학적 방법으로 수정을 하여 기능을 변화시킨 것이다. 최근 인공단백질을 이용한 질병의 진단 및 치료가 활발하게 이루어지고 있으며 인공단백질의 원리와 응용 예를 이해하는 것은 더욱 개량된 신규 치료법의 개발 등에 중요하다. 인공단백질은 임의의 아미노산 배열을 갖기 때문에 인공단백질을 설계함에 있어서 아미노산 배열과 단백질의 고차원적 입체 구조와의 관계를 파악하는 것이 중요하다. 또한 단백질 구조 예측을 기반으로 하여 이론값과 실험값 사이의 높은 상관관계의 확보, 고기능성 단백질 복합체 합성 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 궁극적으로는 인공단백질이 실제 생체 내에 존재하는 천연 단백질과 유사하거나 더욱 높은 기능을 나타내는 것 요구된다. 본 원고에서는 이러한 인공단백질의 원리를 기술하고 그 활용분야 및 연구동향에 대해 기술한다.
키워드: 인공단백질, 재조합 항체, 인공효소 복합체, 유전자 재조합, 질병 치료
분야: Biotechnology, Medicine

목 차

1. 서론
2. 본론
  2.1. 인공단백질 개발
    2.1.1. 화학적 변형
    2.1.2. 조효소 도입
    2.1.3. 유전자 재조합
    2.1.4. 화학 합성
    2.1.5. 촉매 항체
    2.1.6. 인공단백질 설계
  2.2. 질병 치료용 인공단백질 개발
    2.2.1. 항체 기반 인공단백질
      2.2.1.1. 이중특이성 인공항체
      2.2.1.2. SARS-CoV-2 특이적 인공항체
    2.2.2. 효소 기반 인공단백질
      2.2.2.1. 인공적으로 설계한 생물 발광 효소
      2.2.2.2. 면역세포 활성 억제 저해 효소
      2.2.2.3. 인공 금속 효소
    2.2.3. 의약학 분야에서의 인공단백질 활용
      2.2.3.1. 인공적으로 설계된 인슐린
      2.2.3.2. 암세포 사멸
      2.2.3.3. 만성창상 치료
      2.2.3.4. 바이러스의 당 결합 차단
      2.2.3.5. 인공단백질을 이용한 의약품 투여 조절
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

인체 내부에 존재하는 단백질, 핵산, 당, 지질을 포함한 다양한 생체 분자는 상호 간에 유기적으로 연관되어 기능한다. 이 중에서 단백질은 생체내에서 다양한 복합체를 형성하며 기능하는 생체내 고분자인데, 인체 내에 존재하는 유용한 단백질과 유사한 기능을 갖거나, 그 기능성이 더욱 특화된 고기능성 단백질이 제조되어 의약품, 식품, 공업 분야 등 폭넓은 분야에서 실용적으로 사용되고 있다. 단백질의 기능성 향상을 위해 다각도의 연구가 수행되고 있는데, 예를 들어 단백질의 일종인 효소의 경우, 높은 작용기 선택성 및 입체 구조 선택성을 보유하며 상온, 상압, 중성 조건에서 활발히 반응이 일어나는 효소가 설계, 개발되고 있다. 또한 대표적인 고기능성 단백질의 일종인 항체는, 항원 결합성 및 선택성이 높은 재조합 항체의 개발이 활발하다. 이러한 단백질 및 단백질 복합체를 자유자재로 디자인하여 종래의 단백질이 함유하고 있는 기능을 보다 향상시키거나, 새로운 기능을 갖는 신규 단백질을 제작하는 것이 가능하다면 그 기술은 바이오의약학 분야를 선두로 한 다양한 연구 및 실용 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있다.

이러한 기술 개발에 대한 연구가 점차적으로 확장되고 있는데, 그중 주목할 만한 것 중 하나가 바로 인공단백질이다. 인공단백질이란 인공적으로 설계된 아미노산 배열로 구성된 단백질 [1] 또는 기존의 단백질에 화학적 또는 유전자공학적 방법으로 변형을 가해 그 기능을 변화시킨 단백질 [2]을 일컫는다. 단백질의 유전자 서열 정보를 기반으로 하여 아미노산을 수정한 후 재조합하여 만들어지기 때문에 재조합 단백질이라고도 불리는데, 이 경우는 수정한 유전자로 대장균 및 동물세포를 형질전환한 후 배양한 다음 생성되는 단백질을 정제하여 만들어지며 만들어지는 것이 일반적이다. 원하는 활성을 보유하는 단백질을 새롭게 발굴하거나, 단백질의 입체 구조 및 효소의 기질 인식 부위를 규명하기 위해 단백질을 변형시킨 변이체를 제작하는 등의 기술이 기반이 된 인공단백질 연구가 활발히 이루어지고 있다. 인공단백질을 생성하는 방법으로는 1) 아미노기, 카르복실기, 또는 티올기 등의 단백질의 작용기에 결합하는 분자를 사용하여 단백질의 작용기를 비특이적 또는 특이적으로 변화시키는 방법 2) 단백질을 몇 개의 짧은 프라그멘트 또는 펩타이드로 분리한 후 그중 특정 아미노기를 치환 또는 변형시킨 다음 프라그멘트 또는 펩타이드를 재결합하여 본래의 단백질의 구조로 재전환시키는 방법 3) 유전자클로닝 등을 구사하여 단백질을 형성하는 염기배열을 변화시킴으로써 DNA가 단백질로 전사번역되기 전 단계에서 원천적으로 유전자를 수정하는 방법 4) 화학적으로 단백질을 합성하는 방법 5) 촉매 항체를 제작하는 방법 등이 있다 [2].

이러한 연구를 통해 얻은 정보를 바탕으로 단백질의 기능을 개선시키거나 기존에 없던 기능을 추가하여 새로운 단백질을 개발할 수 있으며, 더 나아가서는 이렇게 제작한 인공단백질에 색소, 치료제 등의 기능성 분자를 융합시킴으로써 궁극적으로 제작한 인공단백질을 바이오 소자, 의약품 재료 등으로 사용하는 등 질병 진단 및 치료를 포함한 바이오의약학 분야에 널리 활용된다. 의료용으로 사용된 대표적인 인공단백질의 예로는 인슐린과 같은 호르몬을 인공적으로 제작한 것을 들 수 있으며, 이는 인류의 건강 증진에 큰 영향을 끼쳤다. 또한 최근 SARS-CoV-2의 발생 이후로는 항체공학을 기반으로 하는 인공단백질 개발 분야와 관련한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다. 질병의 진단 및 치료를 위하여 사용되는 인공단백질은, 인공단백질 그 자체를 체내에 투여하는 방법, 인공단백질의 구성 요소를 체내에 투여한 후 외부 유래 물질이 체내로 들어와 질병을 야기하는 경우 체내에서 단백질로 합성되도록 하는 방법(예를 들어 SARS-CoV-2의 표면에 특이적으로 결합하는 항체가 체내에서 생성되도록 사전에 해당 항체의 mRNA를 백신으로 투여하는 방법) 등으로 분류될 수 있다.

인공단백질은 저분자 물질을 포함한 기존의 의약품과 비교하였을 때 보다 높은 특이성과 긴 반감기로 투여 횟수를 줄일 수 있는 장점을 갖는다. 따라서 인공단백질이 제작되는 과정, 그리고 어떠한 상호작용을 통하여 질병의 진단과 치료에 긍정적으로 영향을 미치는지 이해하는 것은 향후 인공단백질을 이용한 다양한 치료법을 개발하고 새로운 인공단백질을 제작하는 데 있어 중요하다.

본 원고에서는 일반적인 인공단백질의 개발 예에 대해 제시한 후, 보다 구체적으로 인공단백질을 이용한 진단 및 치료법에 초점을 두어 개발 동향을 정리하여 기술한다.

2. 본론

2.1. 인공단백질 개발 [2]

2.1.1. 화학적 변형

대부분의 단백질 반응은 전이 상태를 거쳐 진행되기 때문에 단백질 분자 내부의 전하를 안정화하는 것이 기능성 향상에 중요한 요소가 된다. 예를 들어, 단백질 분자의 표면에 존재하며 정전하를 갖는 아미노기를 아세틸이미다졸 및 무수석신산으로 처리하면 중성 또는 음전하를 갖는 작용기로 변화시킬 수 있다. 이러한 원리를 바탕으로 하여 합성된 아세틸화트립신 및 숙신화키모트립신(단백질 분해효소의 일종)에서 효소활성이 증가되었음이 보고되었다 [3, 4]. 즉, 단백질을 인공적으로 화학 변형시켜 단백질 표면의 전하 상태를 변화시킴으로써 단백질의 활성부위에 해당하는 작용기의 산해리상수(pKa)와 같은 pH 의존성을 조절함으로써 활성을 증가시킨 것이다. 단, 이러한 화학 변형을 수행할 경우 단백질의 표면에 존재하는 여러 개의 아미노산기가 비특이적으로 수정될 수 있기 때문에, 부위 특이적 변이 도입법에 비해서는 특이성이 낮다.

2.1.2. 조효소 도입

단백질의 세부 범주에 속하는 효소의 기질 결합 부위 근처에 촉매기를 도입하여 새로운 효소를 합성하는 연구가 보고된 바 있다 [5]. 파파인, GAPDH, 헤모글로빈 각각에 flavin 조효소를 공유결합으로 연결하여 하이브리드 효소를 개발한 것이다. 파파인의 활성부위 근처에 존재하는 시스테인 잔기를 알킬화하여 플라보 파파인을 합성하였는데 이는 기존의 파파인 효소에 비해 1000배 이상 빠른 반응 효과를 나타내었다. 또한 GAPDH에 존재하는 NADH 결합 부위에 인접하는 시스테인 잔기에 플라빈 유도체를 결합시켜 플라보GAPDH를 생산한 결과 NADH 결합성이 증가되었음을 알 수 있었다. 헤모글로빈에 플라빈을 도입하여 제작한 플라보헤모글로빈은 전자전달 측면에서 그 유효성이 증가되었다.

2.1.3. 유전자 재조합

유전자 공학적 관점에서의 유전자 재조합 기술을 통해 다양한 변이 단백질을 합성할 수 있게 되었다. 단백질의 구조와 활성과의 상관관계에 대해 밝혀진 정보를 바탕으로 특정 아미노산 잔기가 목적 단백질에서 어떠한 역할을 하는지를 규명할 수 있으며, 단백질의 열안정성 및 효소의 기질 특이성 증가 등 목적 단백질의 효능을 보다 개선시킬 수 있다. 단백질을 구성하는 아미노산 중에서 특정 아미노산 잔기를 결손, 다른 아미노산 잔기로 치환, 또는 새로운 아미노산을 도입하여 각종 변이체를 합성할 수 있으며, 결과적으로 단백질의 활성을 보존, 증가, 감소시킬 수 있다.

이러한 유전자 공학 기술을 바탕으로 하여 키메라 단백질을 합성함으로써 단백질 도메인의 기능을 규명하는 연구가 활발히 행해지고 있다. 예를 들어 인슐린 리셉터의 세포외 영역과 상피성장인자(epidermal growth factor) 리셉터의 막관통 및 세포질 영역에 존재하는 염기배열을 융합한 키메라 리셉터가 개발되었는데, 인슐린 리셉터와 상피성장인자 리셉터는 모두 막 관통성 단백질로 세포질에 존재하는 도메인에 인산화 활성부위가 존재한다. 키메라 리셉터는 인슐린 존재 시 높은 인산화 활성을 나타내었고 [6] 이 리셉터는 리간드와 결합하면 이량체화되어 정보 전달을 수행함이 밝혀져 복합체 구조를 갖는 하이브리드 단백질 개발의 기반 연구가 되고 있다.

2.1.4. 화학 합성

단백질이 정확한 입체구조를 형성하기 위해서는 단백질 접힘(folding)이 중요하다. 상기한 바와 같이 유전자 재조합 기술을 바탕으로 하여 특정 아미노산을 변형시킨 폴리펩타이드를 합성하였다고 하더라도 직선형 폴리펩타이드가 입체적인 단백질을 형성할 수 있도록 단백질 구조를 설계하고 실제로 구축하는 것은 쉽지 않다. 단백질이 입체구조를 형성하기 위해서는 “제대로” folding이 이루어져야 하는데 이를 위해서는 이황결합, 수소결합 등의 다양한 작용이 관여하기 때문이다. 이때 화학 합성을 통해서는 각 폴리펩타이드의 구조와 위치를 조절 가능하기 때문에 특정한 입체구조를 갖는 폴리펩타이드 복합체를 합성할 수 있다. 예를 들어 Mutter 그룹에서는 네 개의 양친매성 alpha helix segment와 네 개의 양친매성 beta sheet segment를 기존의 펩타이드에 도입하여 이들 8개의 segment를 합성하여 구축하였다 [7].

2.1.5. 촉매 항체

기질의 가수분해반응의 전이상태를 모방한 화합물을 합성하고, 그 화합물(항원)에 결합하는 항체를 제작하는데, 이때 항체의 항원결합부위 근처에 화합물에 대한 작용기를 존재하도록 하면 촉매작용을 하는 항체를 제작할 수 있다. 예를 들어, p-Nitrophenyl phosphorylcholine을 항원으로 하여 제작한 항체는 carbonate의 가수분해를 촉진하였다 [8]. 또한, 기질 결합 부위 근처에 화학적 변형 및 부위특이적 변이법으로 친핵성 작용기를 도입할 수 있다. 화학적 변형의 예로, 기질 결합 부위 근처에 존재하는 아미노산에 해당하는 라이신기의 side chain에 티올기를 도입하여 이황결합을 매개로 한 이미다졸기를 결합시킨 항체가 개발되었는데, 이 항체는 카르복실산 에스테르의 가수분해반응을 1000배 이상 가속화 시켰다 [9]. 부위특이적 변이법을 이용한 예로는, 기질 결합 부위 근처의 티로신기를 히스티딘기로 치환한 항체가 기존 항체에 비해 효소활성이 8배 증가하였음이 보고된 바 있다 [10].

2.1.6. 인공단백질 설계

인공단백질을 설계함에 있어서 아미노산 치환 등을 통한 변이 단백질 합성 시 아래와 같은 사항을 고려해야 한다 [11]. 원래의 아미노산 잔기보다 체적이 큰 아미노산으로 치환하지 않을 것, 그리고 작용기는 한 개씩만 제거하며 여러 개의 작용기를 동시에 도입하지 않을 것이다. 아미노산을 치환함에 따라 단백질 전체의 구조가 크게 변화하거나, 단백질의 여러 상호작용이 동시에 변화한다면 단백질의 기능 변화와 구조 변화를 대응시켜 설명할 수 없기 때문이다. 예를 들어, 아스파트산기를 글루탐산기로 치환한 경우, 전하는 보존되기 때문에 표면적인 구조 변화는 발생하지 않을 수 있지만 전하의 위치가 이동하기 때문에 정전기 상호작용이 변화됨을 고려해야 할 필요가 있다. 이 경우에는 오히려 알라닌기로 치환한다면 카르복실기의 역할을 명확히 규명할 수 있다. 또한 변이가 구조상으로는 1 Å 이하의 차이를 발생시킨다 하더라도 이러한 적은 차이가 수소결합 형성 측면에서는 큰 변화를 일으킬 수 있다. 천연 단백질의 정보를 바탕으로 하여 신규 인공단백질을 설계할 경우, 새로운 작용기 및 체적이 큰 side chain을 갖는 아미노산 잔기를 도입해야 할 필요가 있을 수 있다. 이러한 경우 전체적인 단백질의 구조는 변화될 것이며, 천연 단백질의 기능을 완전히 유지한 채로 새로운 기능을 추가하는 설계는 쉽지 않다. 따라서, 단백질을 수정할 경우, 가능한 한 구조 변화를 발생시키지 않도록 수정 부위를 결정할 필요가 있는데 이러한 정밀한 구조 제어는 쉽지 않기 때문에 비교적 유연한 구조를 갖도록 설계함으로써 예상한 것과 같은 기능을 갖도록 해야 한다. 이때 Pymol과 전용 소프트웨어를 활용하는 컴퓨터 모델링을 통하여 구조 예측의 정확성을 높일 수 있으며, BLAST와 같은 단백질 배열의 데이터베이스가 분자설계에 유용하게 활용될 수 있다.

2.2. 질병 치료용 인공단백질 개발

2.2.1. 항체 기반 인공단백질

항체는 표적 항원과 결합하는 선택성이 높고 감도가 우수하기 때문에 질병의 진단 및 치료에 널리 사용된다. 항체는 일반적으로 쥐에게 면역원(항원)을 주사한 후 생성되는 B림프구를 채취한 후 이를 골수종세포를 융합시킨 하이브리도마 세포를 형성한 다음 이들 세포 중 항원결합성이 높은 항체가 존재하는 세포를 선별하는 일련의 과정을 통해 생성된다. 초기에는 여러 종류의 형질세포에서 유래된 다클론항체(polyclonal antibody)를 기반으로 한 의약품이 개발되었지만 1975년에 Kohler와 Millstein 그룹에서 발표한 하이브리도마법이 개발된 이후로 하이브리도마 세포를 형성한 다음 수차례의 ELISA를 수행하여 단클론항체(monoclonal antibody)를 선별하는 방법이 확립되었고 이 방법으로 많은 항체가 생산되고 있으며, 면역 체계, 표적 세포 표면, 종양 특이 항원 또는 사이토카인과 같은 가용성 매개체와 특이적인 상호작용을 이용하여 염증 질환, 자가면역 질환, 종양 치료에 있어서 진단 및 치료의 목적으로 사용되고 있다 [12]. 항체를 저가로 대량 생산하기 위해서는, 하이브리도마법에 의해 생성된 항체의 염기서열을 동정하여 유전자를 구축한 다음, 그 유전자로 대장균 혹은 동물세포를 형질전환하여 재조합 항체를 발현시켜 사용함이 유리하다. 작성된 항체는 lgA, lgD, lgE, lgG, lgM 등 여러 subtype으로 분류되는데, 그중 가장 많은 비율을 차지하며 면역 기능 형성에 높은 기여를 하는 lgG 형태의 항체가 일반적으로 사용된다. 예를 들어 IgG 형태의 항체는 각종 병원체에 결합하여 식세포 작용을 유발하며, 자연살해세포를 활성화시켜 유해 세포를 파괴시키는 항체 의존성 세포 세포 독성(ADCC) 작용에 영향을 미친다 [13, 14].

2.2.1.1. 이중특이성 인공항체

인공단백질 제작 기술을 기반으로 하며 암 치료제 개발 분야 등의 의약학 분야에 사용되고 있는 이중특이성 항체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이중특이성 항체는, 항체 한분자에 두 개의 항원결합영역(가변 부위)가 존재함을 이용하여 만들어지기 때문에 상이한 두 종류의 항원에 동시에 결합할 수 있도록 설계된 항체를 일컫는다. 예를 들어, 항체에 존재하는 두 개의 가변 부위 중 한쪽에는 암세포에 특이적으로 결합하는 항체의 가변 부위를, 다른 한쪽에는 항암제, 방사선물질, 독성물질 등의 약물에 특이적인 항체의 가변 부위를 위치하도록 설계함으로써 약물을 암세포 근처에 집중시킬 수 있다 [15]. 양쪽의 가변 영역에 두 가지의 목적 항원이 1:1로 결합되도록 함이 필요할 때는 가변 영역이 보유하는 항원 결합력을 유사하게 조절할 수 있는데 이때 항원결합부위의 아미노산에 변이를 삽입하는 방법을 사용할 수 있다. Y자 형태의 full-sized antibody 형태를 나타내는 이중특이성 항체뿐만이 아니라, constant domain이 존재하지 않고 두 가지의 가변 영역을 펩타이드로 연결한 diabody 형태의 이중특이성 항체 또한 제작 가능하다. 이러한 작은 크기의 이중특이성 항체는 인공적으로 가변 영역을 조절하는 경우 발생할 수 있는 항체의 구조적 이상을 염두에 두었을 때, full-sized antibody보다 입체구조를 제대로 형성할 수 있다는 장점을 갖는다. 반면에 항체의 안정성을 결정하는 Fc 영역이 존재하지 않기 때문에 생체내에서 활용될 시에 낮은 반감기를 초래할 수 있다. 작성한 이중특이성 항체의 항원 결합력, 친수성 등에 관련한 기능성을 보다 증가시킬 필요가 있을 경우에는 변이를 도입하는 라이브러리를 구축함으로써 항체를 개량할 수 있다.

2.2.1.2. SARS-CoV-2 특이적 인공항체

ADCC 작용을 발생시키는 항체의 예로 COVID-19를 유발하는 병원체인 SARS-CoV-2를 인식하는 IgG type monoclonal antibody인 Sotrovimab를 들 수 있다 [16]. 이는 Huumabs BioMed社와 GlaxoSmithKline社가 협력하여 SARS-CoV-2에서 유래한 S309라는 단일항체를 생산하는 B세포를 대량 생산하여 개발한 개량형 항체인데, 항체의 Fc 영역에 변이(M428L/N434S)를 도입함으로써 Fc receptor와의 결합력 및 반감기가 증가하는 결과를 나타내었다. 항바이러스 메커니즘에 해당하는 ADCC와 항체 의존성 세포 식균 작용 (ADCP) 측면에서 활성을 나타냄이 입증되었고 현재 COVID-19의 치료제로 사용되고 있다 [17]. 그뿐만 아니라 질병 예방 측면에서도 인공단백질이 활용되고 있는데, 일례로 Tixagevimab, Cilgavimab과 같은 COVID-19 백신 [18]은 COVID-19 환자로부터 확보한 단일항체인데 감염 전에 체내에 투여되어 활성을 나타내는 동안 바이러스 증식이 억제됨이 알려져 있다 [19]. 이러한 항체는 SARS-CoV-2 바이러스의 표면에 존재하는 스파이크 단백질의 특정 도메인을 인식하여 선택적으로 결합하기 때문에 SARS-CoV-2에 대한 중화 활성을 나타낸다 [20]. 다만 이러한 인공항체의 경우 바이러스가 이미 체내에 투입되었을 경우에는 큰 효과를 나타내지는 않는다 [21].

인공단백질은 진단 분야에서도 다방면에서 사용되어 질병을 조기에 치료할 수 있도록 한다. 대표적으로 COVID-19 자가진단 키트를 들 수 있는데, 이는 효소 결합 면역 흡착 분석법(ELISA)을 기반으로 하는 측면 면역 크로마토그래피 분석법(LTA)를 사용하기 때문에 수분 이내에 항원을 육안으로 검출할 수 있다. 구체적으로는, 멤브레인에 코팅된 인공단백질(항체)이 분석 물질(SARS-CoV-2 바이러스)과 결합한 후 colloidal gold가 코팅된 항체와 결합하게 되어 colloidal gold의 붉은색을 육안으로 식별 가능한 원리를 기반으로 한다 [22]. 이외에도 최근 동경공업대학의 Ueda 그룹에서 Quenchbody를 이용한 SARS-CoV-2 진단에 대한 연구 결과가 발표되었다 [23]. Quenchbody는 인공단백질의 일종인 재조합 항체 또는 항체에 형광색소를 부위특이적으로 결합한 것으로, 항원과 항체가 결합할 시 발생하는 색소의 에너지 준위 차이에 의해 발생하는 형광 변화 원리를 기반으로 한다. 항원과 항체 사이의 결합에 의해 수분 이내에 변화하는 형광 신호를 측정함으로써 항원을 정량화할 수 있기 때문에 간편하고 신속한 질병 진단에 범용적으로 응용될 수 있으며, 키트화 되어 자가진단 시 활용할 수 있음이 기대된다.

2.2.2. 효소 기반 인공단백질

화학, 바이오 반응에 대하여 촉매 역할을 하여 반응 속도를 증가시키는 단백질을 일컫는 효소는 의약품 원료, 화학 공업 제품 제조, 식품 제조 등의 다양한 분야에서 사용되고 있으나, 천연물에서 발견된 천연 효소에 비하면 현재까지 개발된 촉매 기능이 우수한 인공효소는 많지 않다고 할 수 있다. 또한 천연 효소는 온도 및 pH 등의 물리화학적 측면에서 불안정할 수 있다. 따라서 고온, 강산/강염기 조건에서 안정하며 경제성이 높은 화합물로 천연효소 이상의 촉매활성을 갖는 물질을 제조함으로써 효소의 유용성을 확장시키는 것과 동시에 천연효소를 대체할 수 있도록 인공적인 화합물로 구성된 효소 개발에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.

2.2.2.1. 인공적으로 설계한 생물 발광 효소

생체분자가 빛을 띠는 현상은, 외부로부터의 빛에너지에 의해 activation 되어 빛을 내는 형광과 화학반응 에너지에 의해 빛을 발하는 화학발광으로 구분될 수 있으며, 화학발광에는 반딧불과 같이 화학에너지를 빛으로 변환하는 촉매 분자로 발광효소를 사용하여 빛을 발하는 생물발광도 포함된다 [24]. 예를 들어 생물발광을 발생시키는 대표적 효소인 luciferase는 루시페린을 산화시키는 효소로 개똥벌레와 발광성 미생물 등에 존재한다. 이러한 luciferase 보다 100배 이상 빛의 세기가 강하며 반감기가 긴 인공 생물발광 효소(artificial luciferase, ALuc)가 개발되었으며 [25], ALuc를 이용해 목적 물질의 검출 감도를 평가한 결과, 천연효소에 비해 측정에 요구되는 시간이 감소되고 검출 감도가 향상되었으며 생체조직의 빛 투과성이 증가됨이 밝혀졌다. 그 후 ALuc (21 kDa)보다 크기가 작은 사이즈인 NanoLuc (19 kDa), picALuc (13 kDa)가 개발되었는데 [26], 특히 picALuc는 크기는 작지만 밝기와 열안정성은 NanoLuc과 유사함이 실험적으로 증명되었고, 이를 BRET 등에 응용하는 연구가 행해지고 있다.

2.2.2.2. 면역세포 활성 억제 저해 효소

암세포의 면역회피작용을 막기 위한 방법으로 인공단백질이 사용되고 있다. 면역세포 및 면역기능을 유발하는 항암제 등의 영향으로 인해 암세포가 사멸되는 환경에서, 암세포는 이에 대한 생존 수단으로 면역회피(immune escape)를 유발한다. 대부분의 암세포에는 indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO)와 같은 tryptophan dioxygenase 효소가 존재하며 이를 통해 트립토판을 분해하는데, 이에 의해 발생하는 대사산물인 kynurenine이 아릴탄화수소 수용체의 내인성 리간드로 작용하여 T세포의 활성을 억제한다. 이러한 kynurenine의 기능을 저해하고자 kynurenine을 분해시키는 효소인 KYNase는 Mus musculus, M. paludism, Cesiribacter andamanesis, Fulvivirga imtechensis, Cyclobacterium marinum, Chlamydophila pecorum, Acinetobacter Baumannii, P. fluorescens와 같은 균주에서 확보할 수 있으나, 대장균을 사용하여 KYNase를 인공적으로 대량생산하는 연구가 본 연구그룹에서 활발히 수행되고 있다.

2.2.2.3. 인공 금속 효소 [27]

촉매 기능을 갖는 분자와 반응 공간을 제공하는 분자를 연결시킴으로써 인공효소를 제작할 수 있다. 사이클로덱스트린을 시작으로 하여 분자 케이지, DNA, 단백질 등을 반응 공간으로 하며, 금속 착체를 촉매 기능을 갖는 분자로 하는 등 다양한 인공효소의 개발이 이루어지고 있다. 그중 단백질과 금속 착체로 구성되는 인공 금속 효소를 설계할 때는 금속 착체의 수용성, 소수성 공간 제공으로 인한 반응 속도 향상, 반응 선택성 부여 등을 고려해야 한다. 이러한 점에 중점을 두어 설계된 산화 반응, 스즈키 커플링 반응, 이동형 수소 첨가 반응이 인공 금속 효소의 원리를 기반으로 하는 예이다. Okamoto 그룹에서는 인공 금속 효소의 특징 중 하나인 ‘금속 착체의 biocompatibility 부여’에 착목하여 연구를 진행하고 있다. 단백질과 같은 생체분자가 존재할 때 금속 착체 촉매는 활성을 잃는 경우가 많기 때문에 금속 착체 촉매를 효소와 동일한 플라스크 안에서 다루는 것은 쉽지 않다. Okamoto 그룹에서는 인공 금속 효소를 사용함으로써 합성 촉매 반응과 천연 효소 반응을 동시에 구현하는 방법을 개발하였고, 이를 세포 내에서 재현 가능하도록 하였다. 예를 들어, 막투과성 인공 금속 효소를 이용하여 포유류 세포 내에서 비천연 화학반응을 진행시켜 세포 기능을 억제할 수 있는 연구 성과를 발표하였다 [27].

2.2.3. 의약학 분야에서의 인공단백질 활용

2.2.3.1. 인공적으로 설계된 인슐린 [28]

인슐린 치료법의 개발에 의해 당뇨병의 완치율이 급증하였다. 인슐린 개발 초기에는 소, 돼지와 같은 가축에서부터 얻은 인슐린을 사용하였기 때문에 채취 샘플에 함유되어 있는 불순물에 의한 부작용이 발생하였으나, 유전자 재조합 기술이 개발됨에 따라 인간 유래 재조합 인슐린 생산이 가능해졌고 이는 Humulin으로 명명되어 상품화되고 있다. 하지만 재조합 인슐린을 사람에게 주사하면 혈당치는 급속히 저하되지만 그 효과는 시간이 경과되면서 감소하기 때문에 이 혈당치 제어법이 기능을 발휘하는 것은 식사 직후로 제한된다. 따라서 그 효과가 천천히 발휘되는 인슐린의 개발이 요구되었다. 인슐린은 여섯 개의 단량체가 연계되어 6량체의 형태로 췌장에 축적되는데, 혈액에 방출되어 인슐린 수용체에 접합할 때는 6량체가 흩어져서 활성을 갖는 단량체가 된다. 이 6량체를 안정화시켜 보다 천천히 흩어지도록 한다면 ‘천천히 효과가 발휘되는 인슐린’을 제작할 수 있음이 제기되었다. 이를 위하여 인슐린에 어류에 축적되는 단백질인 protamine을 결합시킨 이종 단백질 복합체가 개발되었고, 그 효능이 입증되었다. 또 하나의 예는 두 개의 아르기닌 잔기를 인슐린 단량체에 부가하고 인슐린에 존재하는 특정 아미노산을 글리신으로 치환함으로써 6량체를 안정화시켜 결과적으로 천천히 효과가 발휘되는 목표를 달성하였고, 이는 Glargine이라는 상품명으로 판매되고 있다. 이밖에도 혈액 중에 존재하는 단백질인 serum albumin을 연결하여 인슐린의 안정성을 보다 증가시킨 예도 보고되었다.

2.2.3.2. 암세포 사멸

암세포에 활성산소가 다량으로 존재한다는 점을 이용하여, 암세포의 미토콘드리아를 선택적으로 표적하는 triphenyl phosphonium과 연관된 단백질을 이용하여 암세포를 사멸하는 인공단백질이 개발되었다 [29]. 제작한 인공단백질의 단량체 분자는 미토콘드리아를 표적하는 triphenyl phosphonium 부분과 고분자 중합이 가능한 dithiol 부분으로 구성된다. Triphenyl phosphonium에 의해 인공단백질을 미토콘드리아 근방에 존재하게 할 수 있으며, 이는 미토콘드리아의 막을 공격하여 산화스트레스를 유발한다. 이 과정에서 발생하는 활성산소가 dithiol의 이황결합을 유도하여 인공단백질의 단량체 분자들의 크기가 점차적으로 증가하게 되고 그에 따라 미토콘드리아의 막을 더욱 공격하게 되기 때문에 결과적으로 암세포가 파괴된다.

2.2.3.3. 만성창상 치료 [30]

인공단백질을 이용한 silk-elastin sponge이 2020년 개발되어 만선창상 치료에 일조할 수 있음이 발표되었다. Silk-elastin은 37도에서 2시간 동안 수용액 상태로 존재하면 단백질 구조가 변화하여 젤 상태가 되며, silk-elastin에 의한 상창(wound, 상처)의 치유 효과가 동물실험에서 입증되었다. 이러한 물리적 특성을 갖는 silk-elastin을 스펀지에 탑재하여 만성창상에 의한 피부의 상처에 부착한 결과, 상처에서 분비되는 체액에 silk-elastin sponge가 녹아 상처 표면에서 젤 상태가 되어 결과적으로 상창의 치유가 촉진됨을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 개발한 silk-elastin sponge는 임상실험에서 안정성이 확인되어 사업화에 박차가 가해지고 있다.

2.2.3.4 바이러스의 당 결합 차단

바이러스는 숙주의 몸에 들어가 숙주 세포의 당 분자에 부착하여 증식을 진행하는 경우가 있는데, 이에 착목하여 붕산기가 당 분자에 친화성을 갖는 점을 이용한 인공단백질이 개발되었다 [31]. Cis-diol과 boronic acid가 고리형 디에스테르 결합을 형성하여 당과 결합하는 점을 이용하여 붕산기를 리포칼린(스테로이드 및 지질과 같은 소수성 저분자를 운반하는 단백질)에 결합시킴으로써 당 분자에 친화성을 갖는 인공단백질이 제작되었다. 이 인공단백질의 당 결합이 진행되면 바이러스의 당 결합이 차단하여 질병의 진행을 늦출 수 있으며 환자의 면역체계가 활성화되기까지의 시간을 확보할 수 있음이 예상되기 때문에 이를 이용한 약제 개발이 이루어지고 있다.

2.2.3.5. 인공단백질을 이용한 의약품 투여 조절

의학 분야에서 논의되는 문제 중 하나로는 의약품은 매우 정확한 타이밍에 정확한 양을 투여해야 가장 큰 효과를 발휘할 수 있지만 대부분의 상황에서는 이를 정확히 알기는 쉽지 않다는 점이다. 이를 개선하고자 2019년 latching orthogonal cage-key protein (LOCKR) 기술을 바탕으로 한 인공단백질이 개발되었는데, 이는 세포의 활동 과정을 끄고 켤 수 있는 스위치와 같은 조절 능력을 부여할 수 있다 [32]. 구체적으로는, 스위치 단백질 기술을 이용하여 단백질의 분해가 가능한 degron 단백질을 개량한 degronLOCKR이라는 단백질을 제작하여 세포 환경에 따라 단백질의 분해를 조절할 수 있도록 하였다. 이렇게 제작된 인공 단백질을 negative feedback인 Ste12 전사 인자와 positive feedback인 Fus3에 융합시켜 그 기능을 확인한 결과 각각의 feedback에 따른 α-factor의 증감을 확인할 수 있었다. 외향성 뇌 손상이라는 질병은 강한 염증반응을 유발하여 뇌에 손상을 끼칠 수 있기 때문에 염증반응을 감소시키기 위해 약물을 투여하는데, 이와 같은 약물 투여 및 치료 효과 모니터링 신체에 부담을 줄 수 있다. 이에 degronLOCKR 기술이 적용되면, 외향성 뇌 손상 시 발생하는 염증반응을 실시간으로 모니터링하지 않아도 반응을 자체적으로 조절할 수 있기 때문에 약물의 투여량 및 투여 빈도를 조절할 수 있다.

3. 결론

상기한 바와 같이 인공항체 및 인공효소를 포함한 다양한 인공단백질이 개발되고 있으며, COVID-19 관련한 진단 키트 및 치료 등 각종 질환 관련 의약학 분야에서 실용적으로 사용되고 있다. 현재 치료 약물의 비특이적인 반응으로 인하여 발생하는 부작용이 연간 약 2조 원 이상의 의료적, 경제적 손실이 발생하고 있다 [33]. 인공단백질로 인한 치료진단학의 발전은 질병의 치료와 진단의 효율을 증가시켜 부작용으로 인한 손실 비용을 감소시키고 결과적으로 치료의 효율을 높일 수 있을 것으로 사료된다. 인공단백질로 인한 질병 치료의 발전을 위해서는, 제작하는 인공단백질의 원리를 깊이 이해하는 것이 필수적이다. 인공단백질을 구사한 다양한 질병의 치료법을 이해하는 것은 지금까지 난제로 남아있던 질환을 치료 가능한 새로운 방법을 개발하는데 큰 도움을 줄 것으로 기대한다.

4. 참고문헌

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윤현영, 정희진(2022). 질병 치료를 위한 인공단백질 개발. BRIC View 2022-T13. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=4238 (Aug 10, 2022)
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