KAIST는 바이오및뇌공학과 이영석 교수와 가톨릭대 남재환 교수 공동 연구팀이 노화와 비만 환경에서도 치료 효능을 유지할 수 있는 차세대 mRNA 플랫폼 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

mRNA 의약품은 세포에 특정 단백질을 만들도록 유전 정보를 전달해 치료 효과를 내는 방식이다. 코로나19 백신 개발 이후 차세대 의약 기술로 주목받고 있지만 고령층이나 비만 환자에서는 효능이 떨어질 수 있다는 한계가 제기돼 왔다.

연구팀은 mRNA 구조 가운데 단백질 생산 효율을 조절하는 핵심 구간인 ‘5′ 비번역 영역(5′UTR)’ 서열을 정밀 설계하는 기술을 개발했다. 5′UTR은 단백질 생산 시작과 속도를 조절하는 구간으로, 설계 방식에 따라 단백질 생성량이 달라진다.

연구팀은 다양한 생물정보학 데이터를 통합 분석해 여러 세포 환경에서도 단백질 생산 효율이 높은 5′UTR 서열을 찾아냈다. 이를 적용한 결과 노화·비만 전임상 모델에서도 단백질 생성과 면역 반응이 기존보다 크게 향상되는 것으로 나타났다.

mRNA는 단백질 생산을 시작하는 5′UTR, 단백질 정보를 담은 암호화 영역(CDS), 안정성을 조절하는 3′ 비번역 영역(3′UTR)과 poly(A) 꼬리 등으로 구성된다. 이 가운데 5′UTR과 3′UTR은 단백질 종류를 결정하지는 않지만 단백질 생산 효율을 조절하는 중요한 요소다.

연구팀은 대규모 조직 전사체 분석(RNA-seq)과 단일세포 전사체 분석(scRNA-seq), 리보솜 프로파일링(Ribo-seq) 등 다양한 분석 기법을 활용해 단백질 생산 능력이 높은 서열을 도출했다.

특히 노화와 비만 환경에서는 세포의 산화 스트레스가 증가해 단백질 생산 능력이 저하될 수 있다는 점에 주목했다. 새로 설계한 mRNA를 적용한 결과 이러한 환경에서도 단백질 생성 능력과 면역 반응이 크게 향상된 것으로 확인됐다.

연구팀은 이번 기술이 mRNA 백신뿐 아니라 유전자 치료제와 면역 치료제 등 다양한 바이오 의약품 개발에 활용될 것으로 기대하고 있다.

이영석 KAIST 교수는 “이번 연구는 방대한 생물 데이터를 분석해 단백질 생산 효율을 높이는 mRNA 설계 원리를 제시한 것”이라며 “고령층이나 비만 환자처럼 의약품 효과가 낮아질 수 있는 환경에서도 mRNA 치료제가 안정적으로 작동하도록 하는 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 유전자·세포 치료 분야 학술지 ‘Molecular Therapy’에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 식품의약품안전처, 한국보건산업진흥원 지원을 받아 수행됐다.