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[사진.  (왼쪽부터) 신소재공학과 임용범 교수, 장지호 박사과정생]

 

신소재공학과 임용범 교수팀은 전기적 중성 자가조립 펩타이드(Electrically Neutral Self-assembling Peptide, 이하 ENSP)를 이용해 독성을 낮춘 나노튜브형 mRNA 전달체를 개발했다.

 

코로나19 팬데믹을 거치며 mRNA 전달체 기반 백신이 활용되면서 mRNA 전달 기술에 대한 관심도 높아졌다. 이에 mRNA 전달체는 다양한 바이러스 감염병 백신뿐 아니라 암 백신과 치료제 개발에도 활용 가능성이 연구되고 있다.

 

그러나 mRNA 기반 백신과 치료제 개발에 활용되는 mRNA 나노전달체는 높은 전달 효율을 보이지만, 생체독성 문제로 연구에 한계가 있었다. 

 

연구팀은 기존 mRNA 나노전달체의 독성이 전달체를 구성하는 분자의 양이온성과 계면활성 특성에서 비롯될 수 있다는 점에 주목했다. 이에 전기적으로 중성을 띠고 계면활성 특성을 최소화한 펩타이드를 기반으로 새로운 전달체를 설계했다. 펩타이드는 생체친화성이 높아 생체재료로 활용하기에 유리한 물질이다.

[그림. (위) ENSP를 이용해 개발한 나노튜브형 mRNA 전달체 / (아래) 독성이 거의 없는 ENSP 기반 mRNA 나노전달체]

 

연구팀이 개발한 전기적 중성 자가조립 펩타이드(ENSP)는 수소결합과 물을 피하려는 소수성 상호작용을 통해 mRNA와 결합한 뒤, 이를 나선형으로 감싸 나노튜브형 mRNA 전달체를 형성한다. 기존에는 양전하를 띤 분자가 mRNA와 전기적 인력으로 결합하는 방식이 주로 사용됐지만, 연구팀은 이러한 결합을 수소결합으로 대체해 mRNA 전달체를 구현했다.

 

연구팀은 세포 및 동물실험을 통해 ENSP-mRNA 나노전달체의 유전자 전달 효율을 확인했다. 양이온성 펩타이드와 지질 나노입자(Lipid Nanoparticle), 양이온성 고분자 기반 mRNA 나노전달체와 비교한 결과, ENSP-mRNA 나노전달체는 더 낮은 독성을 보였다.

 

mRNA 나노전달체의 생체독성은 실험 방법에 따라 결과가 다르게 해석될 수 있어 독성을 평가하는 방법에 대한 연구도 이어지고 있다. 이에 연구팀은 mRNA 나노전달체의 생체독성을 보다 민감하게 평가할 수 있는 새로운 방법을 고안했다.

 

전달체가 체내에 주입된 뒤 혈액 내 적혈구와 접촉한다는 점에 착안해 적혈구의 형태가 변하는 변형적혈구증(Poikilocytosis)의 정도를 측정했다. 그 결과 ENSP-mRNA 나노전달체는 비교 대상인 기존 mRNA 나노전달체보다 낮은 독성을 보이는 것으로 확인됐다.

 

임용범 교수는 “분자 설계를 통해 기존 mRNA 나노전달체의 핵심 요소인 양이온성 분자를 전기적 중성 분자로 대체했다”며 “이를 통해 mRNA 나노전달체의 세포 및 생체독성을 낮출 수 있었다”고 설명했다. 이어 “나노튜브 구조는 안정적인 나노구조 중 하나”라며 “ENSP 기반 나노튜브형 mRNA 전달체가 안전성과 안정성을 갖춘 mRNA 전달체 개발의 기반이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 장지호 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’에 8월 22일 온라인 게재됐다.