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[노벨상 시상식]효소와 항체 생산의 진화를 이끌다

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[노벨상 시상식]효소와 항체 생산의 진화를 이끌다

2018.12.08 10:24
노벨상위원회 제공
노벨상위원회 제공

올해 노벨 화학상은 효소, 항체 등 생물 분자 기능을 획기적으로 개선한 연구자들에게 돌아갔다. 효소의 방향적 진화(directed evolution of enzymes)를 연구한 프랜시스 아놀드 미국 캘리포니아공대(칼텍) 교수와 ‘파지 디스플레이(phage display)’를 연구한 조지 스미스 미국 미주리대 교수, 치료용 항체 개발에 기여한 그레고리 윈터 영국 MRC 분자생물학연구소 연구원 등 3명이 공동 수상자로 선정됐다. 이들 연구는 생명공학과 화학을 연결해 인류의 건강과 삶의 질 향상에 크게 기여하는 새로운 생명공학 기술들을 개발했다는 공통점을 갖고 있다.

 

 

생명 진화 모방해 효소 기능 향상시켜

 

먼저 프랜시스 아놀드 교수의 연구부터 살펴보자. 아놀드 교수의 관심은 효소 등 생물 분자를 원하는 기능으로 진화시켜 합성의약, 정밀화학제품, 바이오연료 등 인류에 도움이 되는 특수 화합물을 제조하는 것이다.

 

효소를 포함하는 단백질의 기능을 향상시키는 방법에는 크게 두 가지가 있다. 우선 단백질을 직접 디자인하는 것이다. 단백질의 3차원적 분자 구조를 분석한 뒤 단백질의 구조와 기능 사이의 관계를 이해해, 이를 바탕으로 향상된 기능을 갖도록 단백질의 아미노산 서열을 코딩한다. 즉, DNA서열을 변형한다.

 

효소의 방향적 진화 : 효소란 단백질 촉매로 세포 안에서 일어나는 화학 반응을 도와주는 일을 한다. 자료 : 노벨상 위원회, 일러스트 동아사이언스
효소의 방향적 진화 : 효소란 단백질 촉매로 세포 안에서 일어나는 화학 반응을 도와주는 일을 한다. 자료 : 노벨상 위원회, 일러스트 동아사이언스

문제는 아미노산 서열을 안다고 해도 복잡한 3차 구조를 갖는 단백질의 구조를 예측하는 것이 매우 어렵다는 점이다. 예를 들어 항체 같은 단백질은 약 2만5000여 개의 원자들로 구성돼 있다. 이들 원자 사이에서 일어나는 수많은 상호작용과 이들 단백질 분자를 둘러싼 물 분자와의 상호작용을 계산하는 것은 현재의 기술로는 거의 불가능하다. X선 결정학 등의 기법을 통해 단백질의 3차원적 구조를 알아내는 방법이 있기는 하지만, 그 구조를 안다고 해서 단백질의 기능을 예측할 수는 없다. 여기에 구조를 바꿔 기능까지 개선하려고 한다면 이는 ‘서울에서 김 서방 찾기’와 같다.

 

아놀드 교수는 발상을 180도 전환했다. 단백질의 구조와 기능을 일일이 파악하는 것은 너무 어려우므로, 일단 단백질에 대한 정보를 담은 유전자에 여러 돌연변이를 도입한 뒤 그중 기능이 가장 향상된 단백질 변이체를 생산하는 개체를 골라내자는 것이다.

 

이 발상은 자연계의 생명체들이 새로운 기능을 획득하는 과정에서 착안했다. DNA의 돌연변이로 발생한 여러 개체 사이에서 환경에 가장 적합한 개체가 생존하고 나머지는 도태된다. 이 과정이 ‘진화(evolution)’다. 1859년 찰스 다윈이 주장했던 자연선택이론과 진화론을 현 시대의 생명공학자들이 단백질과 생물 분자의 기능 향상을 위해 도입한 것이다.

 

진화를 이용해 효소의 기능을 개선하기 위해서는 우선 효소를 생산하는 DNA에 다양하게 돌연변이를 일으킨다. 이후 돌연변이 개체들의 기능을 분석해 가장 효율이 뛰어난 효소를 만드는 DNA를 가진 개체를 골라낸다. 자연계에서 진화가 오랜 기간에 걸쳐 드물게 일어나듯, 대부분의 인위적 돌연변이들은 기능에 변화를 주지 않거나 오히려 기능을 떨어뜨리는 경우가 대부분이다. 기능을 향상시키는 돌연변이가 출현할 확률은 1%가 채 안 될 만큼 아주 낮다.

 

이렇게 기능이 향상된 효소 변이체 유전자에 다시 돌연변이를 가하고 기능이 향상된 개체를 선별하는 과정을 반복한다. 그 과정에서 돌연변이가 누적되고, 기능 또한 획기적으로 향상된다. 즉, 기능을 향상시키는 돌연변이의 누적을 통해 원하는 방향으로 진화가 이뤄지는 것이다. 그간 많은 언론 보도에서 ‘directed evolution’을 ‘유도 진화’라고 번역했지만, 필자는 ‘방향적 진화’라는 용어가 더 적합하다고 생각한다.

 

프랜시스 아놀드 교수가 10월 3일 (현지 시각) 노벨 화학상 발표 이후 캘리포니아공대에서 진행한 기자회견에서 그의 제자들과 함께 촬영한 기념사진. 연합뉴스 제공
프랜시스 아놀드 교수가 10월 3일 (현지 시각) 노벨 화학상 발표 이후 캘리포니아공대에서 진행한 기자회견에서 그의 제자들과 함께 촬영한 기념사진. 연합뉴스 제공

현재 아놀드 교수는 효소의 방향적 진화를 통해 화학산업과 의약산업에서 원하는, 자연계에 존재하지 않는 새로운 화학반응들을 만들어 내는 연구를 하고 있다. 또 방향적 진화의 효율을 향상시키기 위해서는 어떤 점을 고려해야 하고 어떤 단백질에서 방향적 진화가 잘 일어나는 지와 같은 근본적인 연구도 함께 진행하고 있다. 

 

2011년 필자는 아놀드 교수가 중점적으로 연구했던 단백질인 ‘사이토크롬 P450’에 관한 논문을 그와 함께 공동으로 집필해 발표했는데, P450 효소가 다른 단백질보다 방향적 진화가 잘 이뤄지는 이유에 대해서 정리했다. doi:10.1016/j.copbio.2011.02.008

 

 

바이러스로 치료용 항체 개발하는 파지 디스플레이

 

이번에는 파지 디스플레이에 대해 살펴보자. 파지 디스플레이는 항체 의약품을 발굴하고 개선하는 데 필요한 핵심 기술이다. 항체는 백혈구 중 B세포가 생산하는 단백질로, 다양한 병원성 항원들과 특이적으로 결합해 면역반응을 일으키도록 돕는다.

 

항체는 그동안 노벨상의 단골 연구주제였다. 인류의 건강에 미치는 파급효과가 매우 크기 때문이다. 그중 백미는 하나의 항원 결합 부위에 특이적으로 반응하는 항체인 단클론항체(monoclonal antibody)로, 이 기술은 치료나 진단 목적에 널리 쓰이고 있다.

 

파지 디스플레이 : 파지 디스플레이는 박테리오파지를 이용해 항체 등 단백질을 표지하는 기술이다. 먼저 표지하고자 하는 단백질의 정보를 담고 있는 유전자가 박테리오파지의 외피단백질 유전자에 바로 연결되도록 끼워 넣는다. 이 DNA를 세균에 삽입해 파지를 생산하도록 만든다. 이 파지 중 삽입한 DNA를 가진 파지는 표지하고자 하는 단백질이 외피단백질에 결합해 파지 바깥에 표지된다. 자료 : 노벨상 위원회, 일러스트 동아사이언스
파지 디스플레이 : 파지 디스플레이는 박테리오파지를 이용해 항체 등 단백질을 표지하는 기술이다. 먼저 표지하고자 하는 단백질의 정보를 담고 있는 유전자가 박테리오파지의 외피단백질 유전자에 바로 연결되도록 끼워 넣는다. 이 DNA를 세균에 삽입해 파지를 생산하도록 만든다. 이 파지 중 삽입한 DNA를 가진 파지는 표지하고자 하는 단백질이 외피단백질에 결합해 파지 바깥에 표지된다. 자료 : 노벨상 위원회, 일러스트 동아사이언스

항체가 의약용으로 널리 사용되고 화학합성 의약품을 빠른 속도로 대체해 나가고 있는 이유는 항원에 대한 매우 높은 친화도와 특이성 때문이다. 항체는 병원성 항원과 결합할 수 있는 결합 부위의 표면적이 넓어 화학합성 의약품보다 훨씬 더 강하게 결합할 수 있다. 맨손 대신 글러브(항체)를 끼고 공(항원)을 잡는 셈이다. 또한 치료용 항체는 결합 특이성이 높아 효능이 뛰어나고 독성이 낮으며, 화학합성 의약품에 비해 장시간 몸속에서 활성을 유지할 수 있다는 장점도 있다.

 

하지만 단클론항체를 대량 생산하려면 B세포의 한계인 짧은 수명을 극복해야 한다. 이는 1975년 게오르게스 쾰러와 세사르 밀스테인이 개발해 1984년 노벨 생리의학상을 수상한 ‘하이브리도마(hybridoma)’ 기술에 의해 어느 정도 해결됐다. 이들은 항원을 주사한 동물이 생산한 B세포와 골수암세포를 융합해 B세포가 사멸하지 않고 연속적으로 항체를 생성하도록 만드는 데 성공했다. doi:10.1038/256495a0

 

다만 여기에는 동물 B세포를 사용했다는 한계가 있었다. 이렇게 만들어진 항체는 인간 항체와는 서열이 달라 거부반응인 면역원성(immunogenicity)이 발생한다. 당시 밀스테인의 지도를 받으며 연구를 진행하던 윈터 연구원은 이를 해결하기 위해 항원에 결합하는 부위만 동물의 것을 사용하고 나머지 부위는 모두 인간에서 유래한 것을 사용함으로써 동물 항체를 인간화하는 기술을 개발했다.

 

하지만 인간화 항체는 인간항체 뼈대에 동물에서 발굴된 항체서열을 억지로 결합한 형태라는 한계가 있어 항원 결합력이 떨어지는 경우가 많았다. 이를 개선하기 위해 항체의 항원 친화도를 향상할 수 있는 수단이 필요했다.

 

이때 이용한 것이 파지 디스플레이다. 1985년 스미스 교수가 발표한 이 기술은 박테리아를 감염시키는 바이러스인 박테리오파지의 외피단백질에 원하는 단백질 서열이 발현되도록 만드는 기법이다. 먼저 원하는 단백질을 발현하는 유전자와 파지의 외피단백질을 발현하는 유전자를 이어 붙여 단일가닥 DNA를 만든다. 이를 박테리아에 도입해 박테리오파지를 생산하도록 만들면, 생산된 바이러스의 외피단백질에 우리가 표지하고자 하는 단백질이 표지된다.

 

현재는 단일가닥 DNA 대신 ‘파지미드(phagemid)’라고 불리는 이중가닥의 원형 DNA에 파지의 외피단백질 유전자 일부와 원하는 단백질 유전자를 결합해 세균에 삽입한 뒤, 도우미 바이러스가 박테리아를 감염시키도록 해 우리가 원하는 파지를 생산하도록 한다.

 

이렇게 하면 외피단백질 중 원하는 부위에 단백질이 발현하도록 만들기가 용이하다. 일반적으로 박테리오파지와 세균이 결합하는 부위(PⅢ 단백질)에 표지되도록 만드는데, 바이러스 표면에 표지되는 양이 적어 결합력이 강한 항체를 선별하는 데 특히 용이하다.

 

파지 디스플레이는 방향적 진화를 만나 더욱 발전했다. 방향적 진화를 통해 항체의 기능을 빠르게 향상시킬 수 있는데, 이때 돌연변이가 도입된 항체들을 표지해 분별하는 시스템으로 파지 디스플레이를 활용한다. 파지 디스플레이를 이용하면 100억 개 이상의 변이체들도 빠르게 분별할 수 있어, 항원 결합력과 특이성이 우수한 항체를 효과적으로 찾아낼 수 있다.

 

윈터 연구원은 이 기술을 이용해 치료용 항체들을 여럿 개발했다. 가장 대표적인 것이 현재 의약품 글로벌 매출 1위 ‘휴미라’다. 휴미라는 류머티즘 관절염 치료에 사용되는 항체의약품으로 지난해에만 20조 원 이상의 매출을 기록했다.

 

류머티즘 관절염 치료제 ‘휴미라’, 그레고리 윈터 연구원은 파지 디스플레이 기술을 이용해 휴미라 외에도 여러 항체 의약품을 발굴했다. 한국애브비 제공
류머티즘 관절염 치료제 ‘휴미라’, 그레고리 윈터 연구원은 파지 디스플레이 기술을 이용해 휴미라 외에도 여러 항체 의약품을 발굴했다. 한국애브비 제공

이외에도 여러 항체와 항체 유도체 의약품을 발굴하고 개선하는 데 파지 디스플레이 기술이 널리 활용되고 있다. 아놀드 교수 방향적 진화와 스미스 교수의 파지 디스플레이, 윈터 연구원의 치료용 항체 기술이 만나 수많은 인류를 병마로부터 구한 것이다.

 

 

불행과 고난 속에서 꽃피운 노벨상

 

필자는 아놀드 교수의 연구실에서 2010년부터 1년간 박사후연구원으로 재직했다. 사실 아놀드 교수와의 첫 인연은 이보다 조금 더 거슬러 올라간다. 필자가 조지 조르지우 미국 오스틴 텍사스대(UT오스틴) 화학공학과 교수 연구실에서 박사과정을 밟는 동안 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’에 논문을 발표했는데, 당시 그 저널의 에디터가 바로 아놀드 교수였다. 이후 아놀드 교수와 친분이 있던 조르지우 교수의 추천으로 아놀드 교수와 다시 한 번 연이 닿아 그의 연구실에 합류하게 된 것이다.

 

아놀드 교수는 연구 업적뿐만 아니라 수많은 개인의 역경들을 이겨낸 과학자라는 점도 주목할 만하다. 박사과정을 마친 뒤 아놀드 교수는 제임스 베일리 캘리포니아공대 교수 연구실에서 박사후연구원으로 연구를 하다가 베일리 교수와 결혼했다. 베일리 교수는 2001년 암으로 세상을 떠났다. 

 

필자(오른쪽)는 프랜시스 아놀드 교수 연구실에서 2010년부터 1년간 박사후과정 연구원으로 지냈다. 사진은 2011년 4월 26일 캘리포니아공대 실험실 건물 앞에서 아놀드 교수와 함께 촬영했다. 정상택 제공
필자(오른쪽)는 프랜시스 아놀드 교수 연구실에서 2010년부터 1년간 박사후과정 연구원으로 지냈다. 사진은 2011년 4월 26일 캘리포니아공대 실험실 건물 앞에서 아놀드 교수와 함께 촬영했다. 정상택 제공

1992년에는 앤드류 레인지 캘리포니아공대 물리학과 교수와 재혼했고, 이후 2005년 유방암 진단을 받았다. 이런 역경과 변화 속에서도 아놀드 교수는 연구를 결코 포기하지 않았다. 항암 치료 중에는 오전에 항암 치료를 받은 뒤 오후에는 학교에서 연구 활동을 강행했으며, 출산 다음날부터 학교로 출근해 연구를 진행하는 놀라운 집념을 보였다.

 

이런 그의 책임감과 열정은 필자와의 일화에서도 엿볼 수 있다. 필자가 박사후연구원 면접을 봤던 2010년 초 어느 날의 일이다. 2시간의 면접 내내 그의 눈은 빨갛게 충혈돼 있었다. 아놀드 교수는 가족사가 있어 식사가 어렵다며 미안하다고 말하며 면접을 마무리했다.

 

나중에서야 추모 기사를 통해 면접 당일 새벽 그의 남편인 레인지 교수가 사망했다는 사실을 알게 됐다. 남편을 떠나보냈음에도 불구하고 예정된 면접을 진행한 그의 정신력과 책임감을 느낄 수 있었다. 사실 그는 2016년 둘째 아들의 갑작스러운 사망 또한 이겨낸 바 있다.

 

남들이 인생에서 한 번 겪을까 말까 한 역경을 수차례나 이겨낼 수 있었던 것은 연구에 대한 그의 열정과 책임감이 있었기 때문이다. 이는 특히 연구실에서 빛을 발했다. 연구실에서 진행하는 세미나 전날이면 발표할 학생들은 맹연습하는 것을 볼 수 있었다. 정곡을 찌르는 아놀드 교수의 질문 공세를 상대해야 하기 때문이다. 어떤 학생은 전에 발표했던 연구 배경을 재활용했다가 아놀드 교수에게 “여기 있는 학생들의 시간을 뺏는 것”이라며 “동료들에게 사과하라”고 호된 꾸지람을 들었다. 하지만 그는 열심히 노력하는 학생들과 연구원들에게는 지원을 아끼지 않는다.

 

또 그는 연말마다 제자들이 보낸 소식과 자신의 이야기를 묶은 소식지를 만들어 제자들에게 보내는데, 제자를 아끼고 사랑하는 아놀드 교수의 마음이 고스란히 녹아 있다. 둘째 아들을 사고로 잃었던 2016년 소식지에 담긴 그의 말을 통해 그 마음을 대신 전하고자 한다. “인생에 오르막이 있으면 내리막도 있다. 사랑하는 사람에게 한 번이라도 더 사랑한다고 말해주고 안아줘라.”

 

● Interview “할 수 있다고 믿었기에 해냈다”

_조인하 미국 캘리포니아공대 생화학과 박사과정 연구원

 

2017년 프랜시스 아놀드 교수팀 워크숍 중 촬영한 사진. 아놀드 교수(맨 앞줄 흰색 상의) 바로 뒤에 있는 안경 쓴 사람이 필자다. 조인하 제공
2017년 프랜시스 아놀드 교수팀 워크숍 중 촬영한 사진. 아놀드 교수(맨 앞줄 흰색 상의) 바로 뒤에 있는 안경 쓴 사람이 필자다. 조인하 제공

10월 3일 오전 3시쯤, 연구실로부터 전화가 왔다. 원래 아놀드 교수의 연구실은 근무 시간이 따로 정해져 있지 않다. 오전 9시부터 오후 5시까지 일하는 연구원이 있는가 하면, 오후 9시에 출근해 다음날 오전 5시까지 연구를 진행하는 연구원도 있다. 따라서 야간 근무 중이던 연구원들이 한밤중에 연락하는 경우는 부지기수였다.

 

하지만 이날만은 달랐다. 동료 연구원의 목소리가 무척이나 상기돼 있었다. 휴대전화 너머로 놀랍고도 설레는 소식이 들려왔다. 아놀드 교수가 노벨상을 탔다는 것이었다. 모든 연구원이 새벽잠을 떨쳐내고 달려왔다.

 

그날 내내 연구실 전체는 축제 분위기였다. 하지만 이날 가장 떠들썩한 하루를 보낸 사람은 역시 오전 1시에 막 텍사스에 도착했다가, 2시간 만에 캘리포니아행 비행기 표를 끊어야 했던 아놀드 교수였을 것이다.

 

아놀드 교수는 미국의 저명한 핵물리학자인 윌리엄 아놀드의 딸이자, 제2차 세계대전에 참전했던 윌리엄 아놀드 미 육군 중장의 손녀다. 베트남전 반대 시위 참가, 기계항공우주공학 전공, 재생 에너지 연구를 거쳐 생화학과 교수까지. 그의 경력을 살펴보면 알 수 있듯이 아놀드 교수는 자신의 가능성에 한계를 두지 않고 본인의 결정을 실행하는 데 거침없는 인물이다. 비웃음이나 반대에 직면해도 결코 쉽게 포기하지 않는다.

 

실제로 그가 생명 진화의 원리를 효소에 적용해 기능을 개선하고자 했을 때 당시 많은 생명공학자들이 ‘너무 단편적이며 진화에 대한 이해가 부족한 접근’이라고 비판했다. 단지 생명이 생산하는 물질에 불과한 단백질을 대체 무엇으로 진화시킨단 말인가. 하지만 그는 이에 굴하지 않고 DNA를 활용해 효소를 진화시킬 방법을 찾아내는 데 성공했다. 그의 강한 추진력이 없었다면 노벨 화학상은 불가능한 일이었을 것이다.

 

노벨상 덕분인지 크리스마스나 추수감사절에도 잘 비지 않던 연구실이 10월 3일 오후에는 텅 비었다. 아놀드 교수는 아슬아슬하게 노벨상 수상 기념 기자회견 시간에 맞춰 캘리포니아공대에 도착했고, 연구원 전원이 기자회견에 참석했다. 

 

장내는 캘리포니아공대 최초의 여성 노벨상 수상자를 위한 축하와 질문으로 가득 찼다. 그 질문의 대부분은 “당신은 노벨 화학상이 탄생한 이래 5번째 여성 수상자입니다”라는 말로 시작했다.
그는 강인한 사람이다. 첫 남편을 암으로 떠나보낸 것부터 유방암 투병, 두 번째 남편의 죽음, 아들의 요절까지. 그는 수많은 아픔을 이겨냈다.

 

그의 꾸준한 노력과 열정은 아름다운 열매를 맺었다. 미국 공학한림원이 수여하는 ‘드레이퍼상’을 수상한 첫 번째 여성 과학자, 미국 3개 국립과학원에 모두 추대된 첫 번째 여성 과학자, ‘밀레니엄 공학상’ 최초의 여성 수상자, 이제는 5번째 여성 노벨 화학상 수상자까지.

 

이날 수많은 카메라 플래시가 기자회견장을 물들였다. 하지만 그는 눈 하나 깜짝하지 않고 당당히 마주했다. 필자가 본 아놀드 교수의 모습 중 가장 행복한 모습이었다. 그의 사무실 문 옆에 붙어있는 작은 카드가 새삼 생각나는 날이었다. 그 카드에는 ‘할 수 있다고 믿었기에 결국 해냈다’고 적혀 있다.

 

관련기사 : 과학동아 2018년 11월호, 2018 노벨상

 

 

※ 필자소개
정상택 국민대 응용화학과 교수 서울대 화학공학과를 졸업한 뒤 동 대학원에서 화학공학 석사 학위를, 미국 오스틴 텍사스대에서 화학공학 박사학위를 받았다. 캘리포니아공대 박사후과정을 지냈으며 현재 국민대 응용화학과 교수로 재직하고 있다. 

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