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연세대학교(총장 서승환) 공과대학 신소재공학과 임용범 교수 연구팀은 최근 레고 블록처럼 펩타이드 블록을 mRNA 주위에 쌓아서, 안정성이 획기적으로 높아진 나노 튜브 형태의 mRNA 전달체를 개발했다.

현재 널리 사용되고 있는 지질 나노 입자(Lipid Nano Particle, 이하 LNP) 전달체에 기반한 mRNA 백신은 코로나 바이러스 대응에 있어 큰 기여를 했지만, 안전성(Safety)과 안정성(Stability) 측면에서 여러 문제점을 보였다. 안전성 측면에서는 접종 후 각종 부작용들이 일어날 수 있는 문제가 있으며, 안정성 측면에서는 운송 및 보관에 있어 초저온 상태로 유지해야만 하는 어려움이 있었다. 이러한 문제점들이 발생하는 가장 큰 요인 중 하나는 LNP mRNA 전달체의 ‘열역학적 불안정성’이다.

LNP mRNA 전달체는 대략 동그란 모양의 나노구조체이다. 나노구조가 열역학적으로 안정하려면 대칭적인(Symmetric) 모양을 가져야 하며 구성 요소들이 균질하게(Homogeneous) 분포돼 있어야만 한다. 따라서 mRNA의 경우 실 모양을 가지고 있기 때문에, mRNA 전달체도 또한 실 모양을 가지는 것이 열역학적으로 가장 안정한 상태이다.

나노과학의 관점에서 볼 때 LNP의 문제점은 LNP가 비대칭적이며 불균질한 상태의 동역학적으로 갇힌 상태(Kinetically Trapped State)로 존재한다는 것이다. 즉, LNP 조립(Assembly)이 열역학적으로 불안정한 상태(Thermodynamically Unstable State)인 것에 기인한다고 해석할 수 있다.

다시 말해, mRNA와 다양한 지질 분자들의 자가조립(Self-assembly)으로 이뤄진 LNP의 열역학적 안정성이 높지 않기 때문에, LNP는 유통 과정에서 쉽게 변질될 수 있는 것으로 해석할 수 있다. 동일한 이유로 생체 내에서도 의도치 않은 시간과 위치에서 LNP 복합체가 분해되기 때문에 각종 부작용의 발생이 가속화되는 것으로 해석된다. 그 외에도 LNP의 PEG-lipid, mRNA 등 구성 성분 자체가 원치 않는 면역 반응 등의 부작용을 일으킬 수 있는 것으로도 알려져 있다.

이에 임용범 교수팀은 본 연구에서 실 모양인 나노 튜브 형태의 대칭적이며 균질한 상태의 mRNA 전달체를 개발했다. mRNA 자체가 길쭉한 실 모양이기 때문에, 열역학적으로 안정한 전달체는 mRNA 래핑을 통한 자가조립을 통해 실 모양으로 제조하는 것이 최적의 방법이다. 이러한 실 모양의 mRNA 전달체는 구조 자체의 특성으로 인한 높은 열역학적 안정성을 가져, 전달체의 온도 및 생물학적, 화학적 안정성을 획기적으로 높일 수 있다.

연구팀이 개발한 실 모양의 mRNA 전달체 플랫폼은 정교한 구조를 가지기 때문에 레고 블록 같은 빌딩 블록의 구조 및 자가조립 과정의 조절을 통해 안전성과 안정성을 높이기 위한 각종 최적화 과정의 예측과 해석이 용이하며, 길쭉한 실 모양의 나노구조체는 생체 지속 시간 및 세포 투과 효율 측면에서 다른 모양의 나노구조체들보다 유리할 수 있다는 장점이 있다.

연세대 임용범 교수는 “열역학적으로 안정하기 때문에 안전성이 높을 가능성을 가진 실 모양의 mRNA 전달체 플랫폼은 향후 mRNA 백신 및 치료제 분야로의 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 감염병차세대백신기초원천핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연세대 정유진 연구원과 최준식 연구원이 공동 제1저자로, 임용범 교수가 교신저자로 참여했다. 세계적인 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’에 9월 21일 온라인 게재됐으며, 표지 논문으로 실릴 예정이다.

* 자료 제공 : 연세대학교

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