세계 최초 ‘원자 편집’ 성공, 신약 개발 혁신 가능할까

카이스트 연구팀이 약효를 극대화하기 위한 ‘단일 원자 편집 기술’을 세계 최초로 개발했다. 

카이스트 화학과 박윤수 교수 연구팀은 ‘오각 고리 화합물’인 퓨란(C4H4O)의 산소 원자(O)를 질소 원자(N)로 편집·교정함으로써, 제약 분야에서 널리 활용되는 ‘피롤 골격(Pyrrole Structure)’으로 직접 전환하는 원천기술을 개발하는 데 성공했다고 8일(화) 밝혔다.

약효를 극대화하는 '원자 편집’ 기술

우리가 사용하는 많은 의약품은 복잡한 화학 구조로 이루어진다. 하지만 이들의 ‘효능’은 단 하나의 핵심 원자에 의해 결정되기도 한다. 대표적으로 산소, 질소와 같은 원자는 바이러스에 대한 약리 효과를 극대화하는 데 있어 중추적인 역할을 한다. 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 환자에게 사용되는 산소 치료제, 혈관 확장에 사용하는 니트로글리세린 등 질산염 계열 약물이 대표적이다.

이처럼 약물 분자 골격에 특정한 원자를 도입했을 때 나타나는 효능을 가리켜 ‘단일 원자 효과(Single Atom Effect)’라 한다. 예를 들어, 약물의 화학 구조에 산소나 질소와 같은 원자를 추가하면 그 약물이 더욱 효과적으로 작용할 수 있다. 이 때문에 선도적 신약개발 분야에서는 수많은 원자 종류 중 ‘약효를 극대화하는 원자’를 발굴하는 것이 핵심으로 여겨진다.

하지만, 단일 원자 효과를 평가하기 위해서는 여러 단계에 걸쳐 많은 비용이 들어가는 합성 과정이 필수였다. 특히 산소나 질소가 포함된 고리 구조의 약물은 ‘방향족성(Aromaticity)’이라 하여 매우 높은 안정성을 가진다. 따라서 특정 원자만을 선택적으로 편집(변경)하기가 어렵다. 

즉, 약물의 효능을 조정하기 위해 많은 실험과 연구가 필요하고, 이 과정에서 시간적, 금전적으로 적지 않은 비용이 들어가게 된다.

신약 개발의 획기적 변화 가져오길

이에 박윤수 교수 연구팀은 빛 에너지를 활용하는 ‘광(光)촉매’를 도입했다. 빛을 이용해 분자의 특정 부분을 자르고 붙일 수 있는 ‘분자 가위’ 역할의 광촉매를 개발해, 퓨란(Furan)의 오각 고리를 자유롭게 자르고 붙이는 데 성공한 것이다. 이로써 상온·상압 조건에서 동작하는 단일 원자 교정 반응을 세계 최초로 성공시켰다.

퓨란은 제약 분야에서 중요한 화합물로 항균제, 항암제, 항염증제 등 다양한 약물의 기초 구조로 사용된다. 또한, 그 구조적 특성 및 다양한 반응성으로 새로운 약물 개발에 많은 기여를 하는 물질이기도 하다. 

박 교수 연구팀이 개발한 기술은 향후 신약 개발 시 특정 효과를 갖는 약물을 보다 효율적으로 합성할 수 있게 됐다는 점에서 커다란 의의를 갖는다. 예를 들면, 암 치료제 및 특정 바이러스에 대항하는 치료제 등이 보다 뛰어난 효과를 가지면서 부작용은 최소화하는 방향으로 설계할 수 있는 기반이 되는 것이다.

연구팀 관계자에 따르면, “들뜬 상태의 분자 가위가 단전자 산화 반응을 통해 퓨란의 산소를 제거하고, 질소 원자를 연이어 추가하는 새로운 반응 메커니즘을 발견한 것”이다. 연구의 제 1저자인 화학과 김동현, 유재현 석박사통합과정생은 “복잡한 구조로 이루어진 천연물, 의약품 등을 활용해도 선택적으로 목표 편집을 할 수 있다”라며 이번 연구 결과가 무척 폭넓게 활용될 수 있는 기술임을 설명했다.

연구를 이끈 박윤수 교수는 “오각 고리형 유기물질의 골격을 선택적으로 편집할 수 있게 되면서, 제약 분야의 중요한 숙제였던 ‘의약품 후보 물질’ 라이브러리 구축에 새로운 장을 열 것”이라고 이야기했다. 이 원천 기술이 향후 신약을 개발하는 데 있어 획기적인 변화를 가져오기 바란다는 것이 박 교수의 말이다.

파급력 있는 연구, 저명한 학자 해설 제공

한편, 이번 연구는 그 중요성을 인정받아 과학 분야 유명 학술지인 「사이언스(Science)」에 지난 10월 3일(목) 게재됐다. (논문명 : Photocatalytic Furan-to-Pyrrole Conversion) 또한, 해당 학술지의 ‘퍼스펙티브(Perspective) 섹션’에 추가로 선정돼, 이 연구에 어떤 의의가 있는지 소개되기도 했다. 

퍼스펙티브 섹션은 특정 연구 주제 또는 과학적 이슈에 대해 의견 및 해석을 제시하는 코너다. 최근 연구 결과 및 중요한 과학적 문제를 주제로 삼아 심층적으로 탐구한다. 연구에 참여하지 않은 권위 있는 과학자가 연구 결과를 보다 넓은 맥락에서 이해할 수 있도록 해설을 제공하며, 과학자 뿐만 아니라 일반 독자들에게도 흥미로운 정보가 될 수 있도록 분석과 설명을 제공하는 코너라 할 수 있다.

이 연구는 한국연구재단에서 새로운 연구자들을 보다 우수한 연구인력으로 양성하기 위해 추진하는 ‘우수신진연구’를 비롯해, 카이스트 교내연구사업 도약연구 및 초세대협업연구실, 포스코 청암재단의 포스코 사이언스펠로십 재원을 바탕으로 하여 수행됐다.