임용범 교수팀, 열역학적으로 안정한 튜브형 mRNA 전달체 개발

세계적인 학술지 ‘JACS’ 표지 논문 게재

그림. 자가 조정형 펩타이드(self-adjusting peptide)와 mRNA의 자가조립(self-assembly)을 이용한 나노튜브 형태의 mRNA 전달체 제조.

연세대학교 신소재공학과 임용범 교수 연구팀은 최근 레고 블록처럼 펩타이드 블록을 mRNA 주위에 쌓아서, 안정성이 획기적으로 높아진 나노튜브 형태의 mRNA 전달체를 개발하였다.

현재 널리 사용되고 있는 lipid nanoparticle (LNP) 전달체에 기반한 mRNA 백신은 코로나 바이러스 대응에 있어 큰 기여를 하였지만, 안전성(safety)와 안정성(stability) 측면에서 여러 문제점들을 보여주었다. 안전성 측면에서는 접종 후 각종 부작용들이 일어날 수 있는 것이 문제이며, 안정성 측면에서는 운송/보관에 있어 초저온 상태로 유지해야만 하는 어려움이 있었다. 이러한 문제점들이 발생하는 가장 큰 요인 중 하나는, LNP mRNA 전달체의 열역학적 불안정성이다. LNP mRNA 전달체는 대략 동그란 모양의 나노구조체이다.

나노구조가 열역학적으로 안정하려면 대칭적인(symmetric) 모양을 가져야 하며 또한 구성 요소들이 균질하게(homogeneous)하게 분포되어 있어야만 한다. mRNA의 경우 실 모양을 가지고 있기 때문에, mRNA 전달체도 또한 실 모양을 가지는 것이 열역학적으로 가장 안정한 상태가 될 것이다. 따라서, nano-science의 관점에서 본다면 LNP의 안전성과 안전성이 부족한 이유는, LNP가 비대칭적이며 불균질한 상태의 kinetically trapped state로 존재한다는 것, 즉 lipid nanoparticle assembly가 열역학적으로 불안정한(thermodynamically unstable state) 상태인 것에 기인한다고 해석할 수 있다. 즉, mRNA와 다양한 lipid 분자들의 자가조립(self-assembly)로 이루어진 LNP의 열역학적 안정성이 높지 않기 때문에, LNP는 유통과정에서 쉽게 변질될 수 있는 것으로 해석할 수 있다. 동일한 이유로 생체 내에서도 의도치 않은 시간과 위치에서 LNP complex가 분해되기 때문에, 각종 부작용의 발생이 가속화 되는 것으로 해석 된다. 그 외에도, LNP의 PEG-lipid, mRNA 등의 구성성분 자체가 원치 않는 면역반응 등의 부작용을 일으킬 수 있는 것으로도 알려져 있다.

본 논문에서는 실 모양인 나노튜브 형태의 대칭적이며 균질한 상태의 mRNA 전달체를 개발하였다. mRNA 자체가 길쭉한 실 모양이기 때문에, 열역학적으로 안정한 전달체는 mRNA wrapping을 통한 자가조립을 통하여 또한 실 모양으로 제조하는 것이 최적의 방법일 것이다. 이러한 실 모양의 mRNA 전달체는 구조 자체의 특성으로 인한 높은 열역학적 안정성을 가져, 전달체의 온도 및 생물학적, 화학적 안정성을 획기적으로 높일 수 있었다. 더 나아가, 정교한 구조를 가지기 때문에, 레고 블록 같은 빌딩 블록의 구조 및 자가조립 과정의 조절을 통하여 안전성과 안정성을 높이기 위한 각종 최적화 과정의 예측과 해석이 용이하다. 이는 궁극적으로 최적의 mRNA 전달체를 개발하는데 있어 큰 이점으로 작용할 것이다. 또한, 길쭉한 실 모양의 나노구조체는 생체 지속 시간 및 세포 투과효율 측면에서 다른 모양의 나노구조체들 보다 유리할 수 있다는 것도, 본 논문에서 개발한 실 모양의 mRNA 전달체 플랫폼의 커다란 장점이다.

열역학적으로 안정하기 때문에 안전성이 높을 가능성을 가진 실 모양의 mRNA 전달체 플랫폼은, 향후 mRNA 백신 및 치료제 분야로의 활용가능성이 높을 것으로 기대된다.

이번 연구는 정유진 연구원과 최준식 연구원이 공동 제1 주저자로 그리고 임용범 교수가 교신저자로 참여하였으며, 세계적인 학술지인 Journal of the American Chemical Society (JACS)에 9월 21일 온라인 게재되으며, 표지 논문(supplementary cover)로 실릴 예정이다.

왼쪽부터 연세대학교 공과대학 신소재공학과 임용범 교수, 정유진 연구원

- 성과 발생 일자: (논문 게재일) 2023년 9월 21일

- 지원사업명: 한국연구재단 감염병차세대백신기초원천핵심기술개발 사업

논문 게재인 경우 해당 저널에 대한 설명(발행지 및 영향력 지수등)

JACS, IF = 15.0 (2023년 기준)