코로나19 백신을 통해 알려진 mRNA(메신저 리보핵산) 기술은 이제 암이나 희귀 질환을 고치는 차세대 치료제로 주목받고 있다. 하지만 mRNA는 매우 약해 몸속에서 금방 파괴된다는 단점이 있다. 이를 보호해 세포 안으로 배달하는 이른바 ‘택배 상자’인 지질나노입자(LNP)의 효율을 극대화할 수 있는 설계 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.
가톨릭대학교 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 구희범 교수(합성생물학사업단장) 연구팀은 mRNA 백신과 유전자 치료제의 핵심 전달체인 지질나노입자의 ‘크기’가 세포 내 전달 효율과 유전자 발현에 미치는 영향을 과학적으로 규명했다고 12일 밝혔다.
그동안 학계에서는 지질나노입자의 ‘성분’에 주목해왔으나, 구 교수팀은 ‘크기 자체’가 전달 효율을 좌우하는 핵심 요소임을 실험적으로 증명했다. 연구팀은 미세유체(microfluidic) 기술을 활용해 입자 크기를 나노미터 단위로 정밀하게 조절하며 비교 실험을 진행했다.
그 결과 입자 크기가 작을수록 세포막을 통과할 때 필요한 에너지가 적어 세포 안으로 더 잘 들어가고 단백질 생성량도 증가한다는 사실을 확인했다. 세포 입장에서는 ‘작은 택배 상자’를 더 쉽게 받아들인다는 의미다.
흥미로운 점은 무조건 작다고 좋은 것은 아니라는 사실이다. 입자가 지나치게 작아지면 몸속 환경에서 구조가 불안정해지고, 입자 표면을 보호하는 물질(PEG)이 떨어져 나가면서 오히려 전달 효율이 감소하는 현상이 나타났다. 이는 mRNA 치료제 개발 시 성능을 극대화할 수 있는 ‘골디락스(최적의) 크기’를 설정하는 것이 무엇보다 중요하다는 점을 시사한다.
연구팀은 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 나노입자가 만들어지는 물리적 원리도 분석했다. 분석 결과, 입자의 크기는 복잡한 소용돌이가 아니라 분자들이 스스로 퍼지는 ‘확산 과정’에 의해 결정될 수 있음을 제시했다. 이는 향후 복잡한 장비 없이도 단순한 시스템을 통해 나노입자의 크기를 정밀하게 조절할 수 있는 길을 열어, 치료제 대량 생산과 공정 표준화에 기여할 것으로 보인다.
구희범 교수는 “이번 연구는 mRNA 전달체의 성능을 결정짓는 핵심 요소로서 ‘입자 크기’의 중요성을 직관적으로 보여준 것”이라며 “앞으로 다양한 질환을 표적으로 하는 mRNA 백신과 유전자 치료제를 설계할 때 보다 안전하고 효율적인 기준이 될 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구 성과는 나노바이오 분야의 권위 있는 국제학술지 <Journal of Nanobiotechnology(인용지수 12.6)>에 게재되며 그 학술적 가치를 인정받았다.
