박테리오파지 2

박테리오파지 2

인트론바이오 지음

크레파스북 / 2024년 7월 / 480쪽 / 18,000원





BC 기술시대 ‘퍼스트-인-클래스’ 신약개발



엔도리신 vs 잇트리신ⓡ

인트론바이오는 수퍼박테리아(수퍼벅) 치료제를 개발할 때, 엔도리신(Endolysin)이라는 단백질 효소 기술을 사용한다. 잇트리신ⓡ(itLysin)은 엔도리신을 엔지니어시킨 형태로, 인트론바이오가 갖고 있는 새 기술 및 후보 물질이자 상표명으로 이해하면 되겠다. 참고로 박테리오파지는 세균을 죽이기는 하지만 ‘완전히’, ‘죄다’ 죽이지는 않는다. 이에 기초하여, 인트론바이오는 수퍼박테리아 치료제를 개발할 때 박테리오파지 그 자체를 이용하지 않고, 박테리오파지가 세균을 죽일 때 그 기능을 담당하는 엔도리신을 활용하며, 여기서 더 나아가 이를 신약에 걸맞게 변형시키는 잇트리신ⓡ을 사용한다.

박테리오파지는 박테리아(세균)를 컨트롤할 수 있는 유용한 미생물이지만, 타깃 세균집락의 모든 개체를 사멸시키는 것이 아니라 일부 개체를 잔존시키는 특성을 가지고 있다. 박테리오파지는 이런 특성으로 인하여 ‘세균 감염증 치료제’라는 의약품으로 활용하는 경우 원인균을 완전히 사멸시키지 못한다. 때문에 인트론바이오는 세균 감염증 치료제 개발에서는 박테리오파지 자체가 아니라 박테리오파지 유래의 항균물질인 엔도리신 또는 이의 개량형인 잇트리신ⓡ을 활용한 신약개발을 수행하고 있다.

엔도리신은 세균의 세포벽을 용해할 수 있는 단백질 효소이다. 즉, 박테리오파지가 세균을 감염시킨 후에 수많은 자손으로 복제를 하게 되는데, 이러한 감염 후반부에 엔도리신은 세균의 세포벽을 용해하여 복제된 자손(박테리오파지)이 밖으로 빠져나갈 수 있게 돕는다. 쉽게 말해서 세균 세포벽에 구멍을 내서 제거해야만 밖으로 빠져나갈 수 있게 되는데, 이때 작용하는 효소가 바로 엔도리신이다. 특히 엔도리신은 세균 세포벽의 주성분인 펩티도글리칸(Peptidoglycan)을 특이적으로 용해할 수 있는 활성을 가지며, 이로 인해 박테리오파지가 실제적으로 세균을 죽이게 된다.

인트론바이오는 수퍼박테리아 치료제를 개발할 때 이러한 엔도리신을 이용한다. 엔도리신은 박테리오파지처럼 생물체가 아니기 때문에 자신이 생존하기 위해 세균을 살려놓는 일을 하지 않는다. 세균을 만나면 무자비하게 용해시켜 버린다. 1분에서 10분 정도면 세균을 완벽히 용해시켜서 흔적을 없애버린다. 이처럼 슈퍼박테리아 등의 치료제 개발에 있어서 엔도리신을 선택한 이유는, 박테리오파지가 세균을 완전히 죽이지 않는 데 반해 엔도리신은 완벽히 용해시킨다는 명료한 기술적 데이터에 기인한다.

그리고 엔도리신은 박테리오파지에 비해서 내성이 생길 확률이 현저히 낮다. 참고로 세균을 죽이는 박테리오파지는 경우에 따라 세균이 박테리오파지로부터 획득한 특성으로 인해 내성을 가지는 경우가 있다. 대표적인 것이 유전자 편집에 이용하는 크리스퍼/캐스 기능이다. 이는 세균이 박테리오파지로부터 죽지 않으려고 진화하여 갖고 있는 일종의 방어수단이다. 박테리오파지에 감염되면 ‘크리스퍼’가 인지한 후 ‘캐스’라는 가위로 잘라버리기 때문에, 세균은 자신을 죽이려는 박테리오파지를 거꾸로 없애버리는 것이다. 물론 박테리오파지도 이를 무력화하는 수단을 갖고 있다. 똑똑한 놈들. 또한 세균은 박테리오파지가 부착되지 못하도록, 수용기(Receptor, 리셉터)를 변화시키는 등, 세균과 박테리오파지의 싸움은 과거 지구가 탄생한 수십 억 년 이전부터 지속되고 있다. 누가 승자라고 할 것 없이 둘 다 승자다. 왜냐고? 여전히 둘 다 생존하고 있으니까. 엄밀히 말해 박테리오파지는 세균을 완전히 없앨 하등의 이유가 없는 것이다. 세균은 그저 먹잇감이다. 다른 좋은 먹잇감이 나타나지 않는 한 세균은 박테리오파지의 먹잇감이니 살려두어도 무방하다. 언제든지 컨트롤이 가능하니까. 박테리오파지는 새로운 먹잇감을 찾아서 지속적으로 진화하고 있다. 이것에 대해 충분한 대비를 할 필요가 있으며, 이는 인트론바이오가 박테리오파지를 통해 구현하고자 하는 기술적 방향이기도 하다.

박테리오파지에 우선하여 엔도리신을 수퍼박테리아 치료제 개발에 이용할 때의 장점은 또 있다. 엔도리신이 세균을 용해시킬 때 주요하게 인지하는 부위가 펩티도글리칸인데, 이런 펩티도글리칸은 세균 세포벽 구성의 핵심 물질로서 돌연변이가 일어날 확률이 현저히 적다. 박테리오파지가 세균에 대해 내성이 생길 확률이 높은 데 반해, 엔도리신에 대해서는 세균이 저항성을 획득하기가 어렵게 되는 것이다. 세균 역시 똑똑한 생물체이기에 핵심물질에 변이가 일어나면 자기 스스로가 생존하기 어렵다는 것을 이미 알고 있다. 따라서 펩티도글리칸 부분은 돌연변이가 잘 일어나지 않는다.

처음에는 박테리오파지가 세균을 완전히 죽이지 않기 때문에 엔도리신을 수퍼박테리아 치료제의 핵심기술로 정했으나 지금까지 설명한 것처럼 엔도리신을 선호할 만한 여러 추가적인 장점이 존재하는 것이다. 하지만 엔도리신을 신약 자체로 이용하기 위해서는 몇 가지 단점을 보완해야 한다.

엔도리신은 자연 그대로 존재하는 단백질인 데다 박테리오파지 내부에 존재하는 단백질이기 때문에 치료제로 개발된 후 외부에서 투여되었을 때 불안정할 수 있으며, 이를 해결하려면 단백질의 안정성을 강화시킬 필요가 있다. 또한 박테리오파지는 자신이 살아있는 한 계속 세균을 죽이고 자손을 만들어서 지속적으로 생존해 나가는 데 반해, 엔도리신은 단백질이기 때문에 생체 내에서 유효성을 유지할 수 있어야 하며, 이에 대한 해결책 역시 마련해야 한다.

그리고 그램 음성균 등 특정 세균들은 펩티도글리칸 외에 별도의 외막을 갖고 있기 때문에 엔도리신을 처치하더라도 펩티도글리칸 층으로 접근 자체가 되지 않아 이에 대한 추가적인 해결책이 필요하다. 예를 들어 펩티도글리칸에 닿을 수 있도록 세균의 외막에 구멍을 내거나 일부 파괴할 필요가 있다. 아울러 엔도리신이 생체 내에 투여되었을 때 그곳에 존재하는 다양한 이온들에 의해서 엔도리신의 활성이 저해될 수 있기 때문에 이에 대한 해결책도 필요하다. 이처럼 엔도리신 자체를 그대로 신약기술에 이용하기에는 아직 부족한 점이 있다. 이런 단점을 개선하여 신약 물질에 적합하도록 만들기 위해서는 기술 및 시장 관점에서 엔지니어가 필요하다.

그리고 이것이야말로 R&BD 관점에서 내공이 필요한 이유다. 인트론바이오는 이러한 R&BD 관점의 내공에 기반해 엔도리신 자체의 단점을 보완하여 신약 후보물질로 사용이 가능하도록 철저히 분석 및 엔지니어를 실시하고 있다. 여기에 신약으로서의 안정성 및 효과성을 확보할 수 있도록 추가적인 개발을 진행하고 있으며, 이러한 다양한 플랫폼 기술을 잇트리신ⓡ 기술이라고 총칭하고 있다.

인트론바이오의 첫 번째 엔도리신 신약은 SAL200이라 할 수 있다. SAL200 엔도리신 신약은 박테리오파지 유래의 단백질 형태를 그대로 신약으로 개발한 것이다. 하지만 그 이후로 개발되는 대다수의 엔도리신은 자연 그대로의 것을 사용하는 것이 아니라, 타깃 질환에 따라 임의로 가공된 엔도리신을 이용하며, 모두 잇트리신ⓡ 플랫폼 기술을 적용하고 있다. 인트론바이오는 이러한 잇트리신ⓡ 기술을 바탕으로 다수의 잇트리신ⓡ 신약 후보물질을 개발하고 있으며, 국내는 물론 해외에서도 경쟁력이 앞선다고 확신하고 있다. 인트론바이오는 잇트리신ⓡ 플랫폼 기술을 이용하여 시장관점에서 2가지 분야의 잇트리신ⓡ 신약을 개발 중이다. 첫 번째는 수퍼벅 시장(Superbug Market), 즉 수퍼박테리아 치료제 시장이다. 두 번째는 언멧 니즈 시장(Unmet Needs Market)으로, 미충족 수요가 있는 시장이다. 다시 말해 잇트리신ⓡ의 목표 시장은 기존 항생제 기반의 처치로는 효과적인 치료가 어려운 난치성 감염질환, 즉 다제내성균 감염 치료 분야인 ‘수퍼벅 마켓’, 그리고 기존 기술과 약물의 한계로 인해 효과적 해결책이 없는 ‘언멧 니즈 마켓’으로 설정하고 있다.

BC와 AD로 기술시대를 나누다

박테리오파지는 세균을 죽인다. 하지만 완벽하게 모두 사멸시키는 것은 아니라는 사실에 기초하여 인트론바이오는 잇트리신ⓡ(엔도리신)으로 수퍼박테리아 치료제 및 미충족된 시장 수요를 위한 단백질 항생제를 개발하고 있다. 다시 말해 인트론바이오는 잇트리신ⓡ에 ‘집중’한다. 다만 사업이나 연구개발에 있어서 ‘집중’이란 ‘버린다’는 의미가 함축된 것이다. 예를 들어 잇트리신ⓡ 외 다수의 신약 프로그램은 외부 기업들에 이전했다. 그리고 버렸기에 비로소 확대할 수 있었다. 인트론바이오는 ‘확대’ 차원에서 박테리오파지에 대한 개념을 새롭게 정의하였고, 이를 토대로 새로운 분야로 진출할 기회를 만들어 냈다. 집중은 버린다는 것이다. 버려야 확대할 수 있다.

‘박테리오파지는 세균을 죽이는 바이러스’라는 것이 정설이며, 이는 모든 관련 분야 연구자들이 믿고 있는 사실이다. 인트론바이오 또한 그렇다고 생각한다. 다만 인트론바이오는 새로운 개념으로 박테리오파지를 정의했고, 이를 연구개발에 적용하기 시작했다. 첫 번째, 박테리오파지는 세균을 죽이는 바이러스이기 때문에 세균과 밀접한 관계가 있다. 이에 기초하여 파지리아ⓡ라는 기술이 태동하게 되었다. 두 번째, 박테리오파지는 세균을 죽이는 바이러스이기 때문에 바이러스를 박테리오파지로 무력화시킬 수 있다. 이것이 파지러스ⓡ라는 기술이 태동하게 된 이유다. 셋째, 박테리오파지는 세균을 죽이는 바이러스이기 때문에 세균과 박테리오파지, 그리고 더욱 중요하게는 사람(=동물)과 밀접한 관계에 있을 수 있다. 이것이 파지리아러스ⓡ라는 기술이 태동하게 된 배경이다.

이처럼 파지리아ⓡ, 파지러스ⓡ, 파지리아러스ⓡ는 인트론바이오가 ‘집중 vs 확대’라는 새로운 R&BD 방향성을 추구하면서 도출한 결과물들이다. 기존 ‘박테리오파지는 세균을 죽이는 바이러스다’라는 정설에 반하여 새로운 컨셉을 도출하였고, 틀림이 아니라 다름에 기초하여 인트론바이오만의 새로운 R&BD 원동력으로서 ‘정의’에 충실하고자 한 것이다. 참고로 Ⅰ권에서 파지리아를 BC 기술시대로 정의했지만 Ⅱ권에서는 AD 기술시대로 재분류한다. 그간 기술이 보다 많이 축적되었고, 내공이 더욱 쌓였기 때문이다. BC 기술시대에서는 잇트리신ⓡ기술에 기초하여 엔도리신을 입맛대로 엔지니어, 즉 변형할 수 있는 기술과 내공이 필요했다. 이와 유사하게 AD 기술시대에서는 박테리오파지를 마음대로 엔지니어, 즉 변형시킬 수 있는 기술과 내공에 기반하고 있다.



AD 기술시대 ‘퍼스트-인-컨셉’ 신약개발



로봇 파지의 개념을 세우다

로봇이 물건을 들어 올린다. 태어난 지 수개월 된 신생아도 할 수 있는 너무나 단순해 보이는 작업이다. 하지만 이러한 단순한 행동 하나에도 로봇이라는 하드웨어를 운용하기 위해서는 많은 고민과 설계가 필요하다. 물건은 어떻게 인지할 것이며, 로봇의 수많은 축을 얼마나 효율적으로 조작해서, 어떤 방식으로 들어 올릴 것인지 최적화 작업을 거쳐야 한다. 로봇 파지(=박테리오파지) 역시 마찬가지다. 말처럼 쉬운 작업이 아니다. 더욱이 기계도 아니고 살아있는 생물체는 더욱 그러할 것이다.

앞서 인트론바이오는 ‘박테리오파지는 세균을 죽이는 바이러스’라는 명제 안에서 ‘다름’을 선택했다고 적었다. 박테리오파지 자체가 아닌 잇트리신ⓡ(=엔도리신)으로 수퍼박테리아 및 언멧 니즈 마켓을 위한 신약을 개발한다. 대신 박테리오파지 자체로는 세균과 바이러스, 인간(=동물)을 대상으로 ‘이뮨 앤 이뮤노테라퓨틱스(Immune & Immunotherapeutics, 면역 및 면역치료제)’를 방향으로 설정해 신약을 개발한다. 즉 박테리오파지를 플랫폼 기술로 삼아 ‘프롬 슈퍼벅 투 이뮨(From Superbug to Immune, 수퍼벅에서부터 면역까지)’을 표방하고 있다. 파지리아ⓡ 및 파지러스ⓡ의 출발은 ‘면역으로의 항해’라 할 수 있으며, 여기서 ‘로봇 파지’ 기술이 필요했다. 이는 잇트리신ⓡ을 선택했을 때와 비슷하다. 당시에는 엔도리신을 마음대로 만들어야 했다. 테크놀로지와 마켓에 기반하되 이것을 가능케 하는 테크닉이 필요했다. 프로틴 엔지니어링. 이는 우리 같은 바이오기업에는 어려운 테크닉은 아니다.

파지리아ⓡ와 파지러스ⓡ의 경우도 유사하다. 박테리오파지를 마음대로 만들어야 했다. 테크놀로지와 마켓에 기반하되, 이것을 가능케 하는 테크닉이 필요했다. 제네틱 엔지니어링(유전공학). 이는 프로틴 엔지니어링과는 사뭇 다르다. 특히 박테리오파지의 경우에는 더욱 그러하다. 일반적인 기술이 아니었기에 모든 것을 하나씩 구축해 나가야 했다. 지난하고 험난한 과정이었다.

원하는 타깃 유전자를 박테리오파지에 발현시키기 위해서는 일종의 삽입하는 과정이 손쉽고 원활해야 한다. 이를 위해서는 먼저 수백 개의 박테리오파지를 대상으로 스크리닝 과정을 통해서 목업-파지(Mock-up Phage)로 사용할 박테리오파지를 선발해야 한다. 그 다음에는 선발된 박테리오파지(목업-파지) 캡시드에 원하는 유전자를 삽입할 수 있도록 손쉽게 넣다 뺐다 할 수 있는 일종의 카세트를 갖도록 해야 한다. 이러한 제네틱 엔지니어링 기술을 확보하게 된다면 개발 목적에 맞게 특정 유전자의 삽입 및 삭제 등이 원활해지기 때문에 이에 대한 기술 구축에 전념하였다.

기술 개발은 처음부터 난관이었다. 보편적으로 알려진 박테리오파지 T4, T7 등의 박테리오파지와는 달리, 인트론바이오가 자체적으로 분리해 확보한 박테리오파지들은 전체 유전체 대비 절반 이상의 유전자가 기능이 밝혀지지 않은 상태다. 목업-파지 선발을 위해서는 우선 전장 유전체 서열(Whole genome sequence) 분석을 통해서 어떠한 유전체로 구성되어 있는지부터 분석할 필요가 있었다.

즉, 목업-파지로 사용될 후보 박테리오파지는 ① 제네틱 엔지니어링을 위해 전장 유전체 서열이 확보되어 있어야 하고, ② 유전체 내 유해 유전자(독소, 항생제 저항성)가 없어야 하며, ③ 동물 또는 사람 대상 활용을 고려하여 넌-스페시픽한 항체 형성이 되지 않아야 하고, 마지막으로 ④ 생산 및 제조가 용이해야 한다. 이것을 목업-파지의 후보 기준으로 삼은 것이다. 물론 이것은 쉽지 않은 기준이며, 선발 과정에서 상당한 시간과 노력이 필요했다.

인트론바이오는 지난한 과정을 거쳐 목업-파지의 조건을 충족한 세 가지 박테리오파지를 선발하였다. 각각 ‘목업-파지 P’, ‘목업-파지 B’, ‘목업-파지 E’라 칭하고 있으며, 향후에는 더욱 종류를 확대할 계획이다. 여기는 목업-파지 P를 예로 들어서, 신약 개발 과정을 설명하겠다. 목업-파지 P는 전장 유전체 서열이 확보되어 있으며, 형태학적으로 T7 박테리오파지와 같은 포도비리데과(Podoviridae family)에 속하는 박테리오파지다. 목업-파지 P의 유전체의 크기는 약 39kbp이고, ORF 분석 결과 총 51개의 유전자로 구성되어 있음이 확인되었다. 먼저 이러한 유전자 중에서 T7 박테리오파지의 캡시드 단백질 G(G로 칭함)와 호모로그(Homolog)가 높은 GP 단백질 서열을 확보하였다. 이후 GP 단백질에 특정 펩타이드의 표지 가능성 및 적정 부위 확인을 위해 C-말단의 두 지역에 각각 링커 및 히스티딘-택(Histidine-tag) 등의 다수 펩타이드(Peptide)를 도입하여 그 적정성을 확인하였고, 결과적으로 실현 가능한 기술을 확보할 수 있었다. 다만 초기 계획은 목업-파지 P의 마이너 캡시드(Minor capsid) GBP의 말단에 카세트를 만들어 타깃 유전자를 도입하고자 하였다. 이는 GAP의 말단에 카세트를 도입하는 것이 이상적이지만, 이 경우 목업-파지 P의 구조적 불안정성이 높아져 목적한 목업-파지를 확보할 수 없다는 예측에 따른 것이다. 하지만 예측과는 달리 GAP의 말단에 카세트를 도입하더라도 목업-파지의 구조적 안정성을 담보할 수 있었고, 이는 연구 진척도를 한 단계 높였을 뿐만 아니라 후속 개발의 성공 가능성도 보다 높이는 계기가 되었다. 놀라운 일이었다.

한편 이러한 목업-파지 P의 GAP 말단에 카세트를 도입할 때 사용한 크리스퍼/캐스 시스템(CRISPR/Cas system)의 경우, 첫 시도에서는 스트렙토코커스 파이로제네스(Streptococcus pyrogenes) 유래의 캐스 시스템을 사용하였다. 하지만 원활히 작동되지 않아 목업-파지 P에 최적화된 크리스퍼-캐스 시스템을 별도로 추가 개발할 필요가 있었다. 완전히 새로운 시도인 것이다.