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Research

슈퍼컴퓨터로 설계한 코로나19 치료제, '인공단백질' 개발

  • 조회. 305
  • 등록일. 2020.07.29
  • 작성자. 전체관리자

_슈퍼컴퓨팅 디자인된 코로나19 치료제 후보 인공단백질 11 가지의 생산공정 확립, 자체 생산 및 중화기능 분석과 세포독성 분석 완료 
_치료제 효능 검증을 위한 코로나19 대상 실험 및 전임상 실험 예정

 

DGIST 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터 및 핵심단백질자원센터 장익수 센터장

 


 DGIST 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터와 핵심단백질자원센터(센터장 장익수)는 원자차원 슈퍼컴퓨팅 시뮬레이션을 이용하여, 코로나19 바이러스 표면의 스파이크 돌기 RBD 단백질이 인간세포 hACE2 수용체 단백질에 결합하지 못하도록 중화작용을 하는 새로운 코로나19 치료제 인공단백질 11가지 후보들의 아미노산 서열과 3차원 구조를 슈퍼컴퓨팅 디자인하는데 성공했으며, 디자인된 11가지 치료제 후보 인공단백질들의 생산공정 확립, 자체 생산 및 중화기능 분석과 인간 세포독성 분석을 완료하고 특허를 출원하였다고 밝혔다.

 기존 코로나19 치료제 개발은 이미 개발된 약물을 이용하는 ‘약물 재창출’, 완치자 혈액 속 항체를 이용하는 ‘혈장 치료제’, 세포주를 이용해 코로나19 바이러스에 반응하는 항체를 개발하는 ‘항체 치료제’, 화학합성 물질을 이용한 ‘신약 개발’이 주를 이뤘다. 각 방법들은 치료제 개발 난이도, 개발 기간, 개발 비용과 효능 및 안전성 등에 따라 서로 다른 장단점을 지니며, 연구 및 임상결과로는 아직까지 성공적인 코로나19 치료제는 없는 상황이다.

 이에 DGIST 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터 연구진들은, 기존 코로나19 치료제 개발방법과는 전혀 다른 방식으로 원자차원 슈퍼컴퓨팅 시물레이션과 통계열역학 및 생물물리학을 이용하여, 코로나19 바이러스의 스파이크 돌기 RBD 단백질과 인간 세포 hACE2 수용체 단백질의 구조에 기반을 둔 치료제 후보 인공단백질들의 구조를 슈퍼컴퓨팅 계산을 통해 디자인하고(그림 1, 2 참조), 디자인된 11가지 치료제 후보 인공단백질들에 대해 구조적, 열역학적 및 면역원성적 안정성에 대한 계산과학적 검증을 마쳤다. 

 DGIST 핵심단백질자원센터 연구진들은 슈퍼컴퓨팅 디자인된 치료제 후보 인공단백질의 클로닝, 발현, 정제, 생산 공정을 개발하고 자체 생산을 진행했다. 그 결과, 현재 총 11가지 단백질들 중 7가지는 고순도 생산을 완료했고, 나머지 4가지는 곧 생산 완료될 예정이다. 생산된 단백질들에 대해서는 고급 질량(MALDI-TOF, Q-Exactive, Q-TRAP) 분석과 원편광 이색성(Circular Dichroism) 분석을 실시해 단백질의 질량, 아미노산 서열의 정상 여부 및 단백질 2차 구조의 안정성을 확인했다.

 또한 생산된 치료제 후보 단백질과 코로나19 바이러스 스파이크 돌기 RBD 단백질 사이의 결합 상수를 미세규모 열영동(MicroScale Thermophoresis) 실험을 통해 측정했다. 그 결과, 치료제 후보 인공단백질들이, 인간세포 hACE2 수용체 단백질과 스파이크 돌기 RBD 단백질 사이에 기존에 알려진 결합 상수와 비교하여 유사하거나 더 강하게, 스파이크 돌기 RBD 단백질에 결합한다는 것을 확인해, 생산된 치료제 후보 단백질들이 스파이크 돌기 RBD 단백질을 중화하는 기능을 보유함을 확인하였다. 또한 생산된 인공단백질 중에 PEP9 단백질을 6가지 인간(배아 신장, 간, 뇌 면역, 폐, 신장, 폐암) 세포주에 투여해 독성이 발생하지 않아 안전성을 확보했다.

 장익수 센터장은 “DGIST 연구진들이 개발한 코로나19 치료제 후보 단백질들의 효능을 검증하기 위하여 곧 BSL3급의 코로나 바이러스 실험 및 전임상 실험을 실시할 계획이다”며 “앞으로 진행될 세포주, 동물 및 인간에서 코로나19 바이러스에 대한 치료제 후보 단백질의 효능분석 연구의 결과에도 큰 기대를 갖고 있으며 이를 위해 정부, 과기계 및 민간의 적극적인 공동연구개발 참여와 지원이 필요하다”고 밝혔다.


     그림 설명  

[그림 1] 코로나19 바이러스 표면의 스파이크 돌기 RBD 단백질(빨간색)과 인간 세포 표면 hACE2 수용체 단백질(파란색)의 결합 도식도

 

관련사진2.코로나19 바이러스 표면의 스파이크 돌기 RBD 단백질(빨간색)과 인간 세포 표면 hACE2 수용체 단백질(파란색)의 결합 도식도

(그림설명) 
코로나19 바이러스 표면의 스파이크 돌기 부분에 존재하는 RBD 단백질(붉은색)과 인간 세포 표면에 존재하는 hACE2 수용체 단백질(푸른색)의 결합 구조.


[그림 2] 인공단백질의 중화작용 도식도

 

관련사진3.인공단백질의 중화작용 도식도

(그림설명) 
치료제 후보 PEP9 인공단백질의 단량체(monomer) 혹은 이량체(dimer)가  코로나19 바이러스의 돌기 부분에 존재하는 RBD 단백질(빨간색)에 결합해 인간 세포 표면에 있는 hACE2에 결합하지 못하도록 중화 작용하는 도식도. 

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