일 자 | 2024. 3. 8. |
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제 목 | 넥스트 팬데믹을 대비하는 신종 코로나바이러스 고속 약물 스크리닝 플랫폼 개발 다가올 팬데믹 상황에 발 빠르게 대응하여 효과적인 치료제 개발에 도움 줄 것 윤대성 교수 연구팀, 저명 학술지 ‘Nature Communications’ 게재 |
내 용 (요 약) | □ 고려대학교(총장 김동원) 바이오의공학과 윤대성 교수 연구팀은 인공적으로 합성한 엔지니어드 아밀로이드 펩타이드를 이용하여 새로 출현할 신종 코로나바이러스의 생존 및 증식에 필수적인 주요 단백질 분해효소(main protease, Mpro)의 활성을 억제하는 약물의 효능을 고속으로 확인할 수 있는 코로나바이러스 치료제 스크리닝 플랫폼을 개발했다.
□ 이번 연구 결과는 저명 학술지인 ‘Nature Communications’(IF=16.6)에 3월 8일 자 온라인 게재됐다. □ 본 연구 성과는 앞으로 다가올 넥스트 팬데믹 상황에 발 빠르게 대응하여 효과적인 치료제를 조기에 개발하는 데 핵심적인 도움을 줄 것으로 기대된다. COVID-19 팬데믹을 일으킨 코로나바이러스는 스파이크 단백질의 변이(델타, 오미크론)가 기존 백신의 효과 무력화시켜 COVID-19 치료제 개발에 대한 긴급한 수요가 존재하게 됐다.
□ 현재, COVID-19 치료를 위해 ▲코로나바이러스의 스파이크 단백질 타깃 중화항체 ▲바이러스 RNA 타깃 약물 ▲코로나바이러스 유래 단백질 분해 효소를 타깃으로 약물이 개발되고 있다. 이때, 스파이크 단백질의 잦은 변이에 의해 중화항체의 효능은 계속 감소하며, 바이러스 RNA 타깃 약물의 경우 인간의 RNA에도 작용하여 유전체 손상 및 유전병 등을 일으키는 부작용이 있다. 따라서, 이러한 단점 및 부작용이 없는 코로나바이러스 유래 단백질 분해 효소(Mpro)를 타깃으로 하는 약물의 발굴이 중요한 시점이며, 현재 COVID-19 바이러스 감염이 확인된 환자에게 처방되는 화이자사의 Paxlovid도 Mpro의 활성을 억제하는 메커니즘으로 작동하는 치료제이다.
□ 바이러스 유래 단백질 분해효소를 타깃하는 약물은 코로나바이러스 복제에 관여하는 바이러스 유래 단백질 분해효소 Mpro(The Main Protease of SARS-CoV-2)의 활성을 억제하여 바이러스의 증식을 억제하는 방식이다.(그림 1) Mpro에 의한 바이러스 복제기작은 다양한 종류의 코로나바이러스(SARS-CoV, MERS-CoV, HCoV-HKU1 등)들이 그 메커니즘을 공유하고 있다.
□ 2003년에 행한 SARS-CoV-1의 Mpro 활성 부위 서열과 2021년 SARS-CoV-2의 Mpro 활성 부위 서열을 비교할 때 20년이 지났음에도 변이가 전무하다. 넥스트 팬데믹(COVID-X) 상황에서 출현할 신종 코로나바이러스의 경우도 유사한 Mpro가 바이러스의 증식에 핵심적으로 이용될 가능성이 높다. 따라서 변화가 거의 없는 Mpro 활성 부위를 타깃으로 한 약제의 경우, 인체에 대한 부작용이 적고 미래에 발생할 수 있는 COVID-X에도 치료제로써 높은 효능을 유지할 것으로 예상된다.
□ 본 연구팀은 Mpro 억제제의 효능을 모니터링하여 코로나바이러스 치료제를 스크리닝할 수 있는 플랫폼을 개발하기 위해 엔지니어드 아밀로이드 펩타이드를 이용했다. ‘그림 2’와 같이 프리온 단백질 유래 아밀로이드 서열(GNNQQNY)과 Mpro에 의해 절단되는 서열(LQS)을 융합하여 엔지니어드 아밀로이드 펩타이드(MCAP, Mpro cleavage-site-embedded amyloid peptide)를 합성했다. 엔지니어드 아밀로이드 펩타이드의 경우 아밀로이드 서열에 의해 아밀로이드 성질을 가짐으로 서로 응집되는 특성이 있으며, Mpro 절단 서열에 의해 Mpro에 의해 분해되는 성질을 가지고 있다.
□ 본 연구팀은 엔지니어드 아밀로이드 펩타이드를 금 나노입자 표면에 코팅하여 엔지니어드 아밀로이드 나노복합체를 합성했다.(그림 3a) 나노복합체가 Mpro와 반응할 경우 엔지니어드 아밀로이드 내부의 Mpro 절단 서열에 의해 금 나노입자 표면에서 단백질 응집체가 분해되어 떨어져 나가게 된다. 이에 따라 입자의 안정성이 감소하여 응집되며, 금 나노입자의 광학적 성질에 의해 용액의 색 변화가 일어난다. 이때, Mpro 억제제와 반응한 Mpro는 활성이 떨어져 용액의 색 변화를 일으키는 정도가 달라지며, 용액의 색 변화를 통하여 Mpro 억제제의 활성을 정량적으로 측정할 수 있다.
□ 연구팀은 이처럼 Mpro 활성에 따라 바뀌는 엔지니어드 아밀로이드 나노복합체 용액의 색 변화를 UV-vis 분광계로 측정함으로써, Mpro 억제제의 효능을 정량적으로 측정할 수 있는 Mpro 억제제 비색법 약물 스크리닝 플랫폼을 개발했다. 또한, 기존 Mpro를 억제하는 것으로 알려진 4종의 약물을 이용하여 플랫폼의 작동성을 검증했다. (그림 4)
□ 해당 결과를 통하여 본 연구팀에서 개발한 스크리닝 플랫폼은 기존 형광을 이용하여 측정하는 방식에 비해 매우 고가인 Mpro를 50배 적은 농도로 사용하며, 측정의 오차도 훨씬 적음을 증명했다. 측정 시간도 1~2시간 내에 측정할 수 있어 기존 방식 대비 1/20-1/100 수준으로 고속 대용량 스크리닝이 가능하다. 또한, 본 연구팀의 플랫폼은 복잡한 전처리 과정이 필요로 하지 않음으로 비전문가도 충분히 실험을 진행할 수 있다. 이는 기존 형광 및 세포를 이용한 방식에 비해 매우 효율적이고 경제적으로 약물을 스크리닝할 수 있는 방식이라 할 수 있다.
□ 본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 (NRF-2022R1A2C1091756), 바이오의료개발사업 (No. 2023M3E5E3080743), BK21 정밀보건과학융합교육연구단의 지원을 받아 수행됐다. |
담당부서 | 바이오의공학과 윤대성 교수 (02-3290-5659) |
문 의 | 커뮤니케이션팀 (02-3290-1063) |