▲ 생물정보학을 활용한 mRNA 의약품 설계 및 검증 모식도(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

코로나19 팬데믹 이후 차세대 의약 기술로 주목받고 있는 mRNA 백신과 치료제의 성능을 높일 수 있는 핵심 플랫폼 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 특히 고령층이나 비만 환자처럼 산화 스트레스가 높은 환경에서도 치료 효능이 유지되는 mRNA 설계 기술이 제시되면서 차세대 RNA 의약품 개발에 새로운 가능성이 열렸다는 평가다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 이영석 교수와 가톨릭대학교 남재환 교수 공동연구팀이 mRNA 의약품의 단백질 생산 효율을 높일 수 있는 ‘5′ 비번역 영역(5′UTR)’ 설계 원리를 규명하고 이를 적용한 새로운 mRNA 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.

mRNA 의약품은 세포에 특정 단백질을 생산하도록 유전 정보를 전달해 질병을 치료하는 방식의 기술이다. 그러나 노화나 비만 상태에서는 세포의 단백질 생산 능력이 떨어지면서 치료 효과가 감소할 수 있다는 한계가 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 mRNA 구조 중 단백질 생산을 시작하고 효율을 조절하는 핵심 구간인 5′UTR(5′ untranslated region)에 주목했다. 이 영역은 단백질의 종류를 결정하지는 않지만, 단백질이 얼마나 빠르고 많이 생성되는지를 좌우하는 중요한 조절 구간으로 알려져 있다.

연구진은 대규모 생물정보 데이터를 활용해 다양한 세포 환경에서도 단백질 생성 효율을 높일 수 있는 5′UTR 서열을 탐색했다. 이를 위해 조직 전사체 분석(RNA-seq), 단일세포 전사체 분석(scRNA-seq), 리보솜 프로파일링(Ribo-seq) 등 다양한 분석 기술을 통합적으로 활용했다.

그 결과, 다양한 생체 환경에서 단백질 생산 능력을 향상시키는 새로운 5′UTR 서열을 찾아냈으며 이를 적용한 mRNA 플랫폼이 노화와 비만 전임상 모델에서도 단백질 생산과 면역 반응을 크게 높이는 효과를 보이는 것으로 확인됐다.

연구팀은 특히 노화나 비만 상태에서는 세포 내 산화 스트레스가 증가해 단백질 생산 능력이 저하될 수 있다는 점에 주목했다. 새롭게 설계된 mRNA 플랫폼은 이러한 스트레스 환경에서도 안정적으로 작동해 기존 mRNA 의약품의 한계를 보완할 수 있는 것으로 나타났다.

연구진은 이번 기술이 mRNA 백신뿐만 아니라 유전자 치료제와 면역 치료제 등 다양한 RNA 기반 의약품 개발에 활용될 수 있는 핵심 플랫폼이 될 것으로 기대하고 있다.

KAIST 바이오및뇌공학과 이영석 교수는 “이번 연구는 방대한 생물 데이터를 분석해 mRNA가 단백질을 더 효율적으로 생성하도록 하는 설계 원리를 규명한 것”이라며 “특히 고령층이나 비만 환자처럼 치료 효과가 떨어질 수 있는 환경에서도 mRNA 백신과 치료제가 효과적으로 작동할 수 있는 기반 기술이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 가톨릭대학교 윤수빈 박사와 KAIST 조형곤 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 유전자·세포 치료 분야 국제 학술지 ‘몰레큘러 테라피(Molecular Therapy, IF 12.0)’에 1월 2일 온라인 게재됐다.

논문명은 Designing 5′UTR sequences improves the capacity of mRNA therapeutics in preclinical models of aging and obesity이다.