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2020년 12월 23일, 펜실베니아대학은 코로나19 예방 접종 장려 활동의 일환으로 백신의 기반 기술을 개발한 두 명의 연구원 카탈린 카리코(Katalin Karikó)와 드루 와이즈만(Drew Weissman)이 접종 받는 장면을 공개했다. 이 백신은 지방질 구체와 ‘유전자 정보(즉 mRNA)’가 혼합된 얼음알갱이라 할 수 있으며, 메신저RNA(mRNA) 기반 기술로 만들어졌다. 아직 검증된 기술이 아니었음에도, 코로나19 발생 1년 만에 빠르게 백신을 개발해 테스트까지 할 수 있었다. 두 연구자가 20년 전부터 쌓아온 성과 덕분이다.
정적이 흐르는 홍보 영상에서, 간호사가 피하 주사를 놓는 동안 그 누구도 말하거나 웃지 않는다. 나는 1987년부터 임상 의사이자 과학자로 일해 온 와이즈만에게 그 순간 무슨 생각을 했는지 나중에 물었다. 그는 “항상 사람들에게 도움이 되는 무언가를 개발하고 싶었다”며 “주사 바늘이 팔에 꽂히는 순간 ‘드디어 해냈다고 생각했다”고 답했다.
왜 중요한가?
코로나19로 인한 사망자가 200만명을 넘어섰다. mRNA 기반 백신은 95%의 효과를 보인다.
핵심 기업-기관
실용화 시기
현재
코로나 바이러스 감염으로 세계적으로 200만 명이 넘게 사망했다. 그 중에는 와이즈만의 어린 시절 친구 몇 명도 포함되어 있다. 지금까지 미국의 백신 접종은 모더나 테라퓨틱스(Modrna Therapeutics)의 백신과 독일 바이오엔텍(BioNTech)이 화이자(Pfizer)와 협력해 개발한 백신에 전적으로 의존하고 있다. 두 백신 모두 와이즈만의 발견을 활용하여 개발되었다. (와이즈만의 연구실은 바이오엔텍에서 자금 지원을 받고 있고, 카리코는 현재 바이오엔텍에서 근무하고 있다)
살아 있거나 죽은 바이러스, 혹은 바이러스가 자신을 위장하는데 쓰는 껍데기 조각을 사용해 인체 면역 체계를 훈련시키는 기존 백신과 달리, 새로운 백신은 mRNA를 이용한다. mRNA는 세포에서 유전자를 전사해 유전 정보를 단백질이 만들어지는 리보솜으로 전달하는 짧은 수명의 고분자 화합물이다.
mRNA 백신이 사람의 세포에 보내는 ‘메시지’는 코로나 바이러스 자체에서 가져 온 것이다. 여기에는 코로나 바이러스를 구성하는 왕관 모양의 ‘스파이크’ 단백질에 관한 정보가 담겨 있으며, 이 단백질은 바이러스가 세포에 침입할 때 쓰인다. 이 단백질은 그 자체로는 사람에게 병을 일으키지 않지만, 대신 체내에서 강한 면역 반응을 촉발한다. 지난해 12월 발표된 대규모 연구에서는 이 면역 반응이 코로나19 감염의 95%를 예방하는 것으로 나타났다.
드루 와이스만의 mRNA 연구는 코로나19 백신 개발 성공으로 이어졌다.
사진. 저스틴 제임스 뮤어
이 기술은 팬데믹 종식의 희망을 안긴 것을 넘어, mRNA를 활용한 새로운 약물 개발의 길을 열었다.
학계에서는 세포에 ‘임시 지침’을 전달하는 이 방식이 조만간 헤르페스와 말라리아 백신 개발, 더 나은 새 독감 백신 개발로 이어질 것으로 믿는다. 앞으로 코로나19가 계속 변이를 일으킨다면, 그에 맞춰 백신을 업데이트하는 것도 가능하다.
또 연구자들은 백신 이상의 가능성도 보고 있다. 그들은 이 기술로 암, 겸상 적혈구 빈혈, 어쩌면 HIV에 대한 저렴한 가격의 유전자 치료가 가능해질 것으로 생각한다.
와이즈만에게 코로나19 백신의 성공은 놀랄 일이 아니다. 그의 평생의 연구가 틀리지 않았음을 보여주는 증거이다. 그는 “우리는 이 일을 20년 넘게 해왔고, RNA가 중요한 치료 도구가 될 것이라고 확신하고 있었다”고 말한다.
완벽한 타이밍
지난 20년 간 연구가 이뤄졌음에도 메신저 RNA는 작년까지는 시판된 어떠한 약품에도 사용된 적 없었다.
그러다 2019년 12월, 중국 우한에서 박쥐 바이러스로부터 기인한 것으로 생각되는 새로운 종류의 바이러스성 폐렴에 대한 첫 보고가 나왔다. 중국 정부는 발병을 은폐하려고 했지만, 2020년 1월 10일 상하이의 한 과학자가 호주의 지인을 통해 이 병의 유전 암호를 인터넷에 공개했다. 그때 바이러스는 이미 비행기를 타고 홍콩, 태국에 빠르게 퍼진 뒤였다. 그러나 유전 정보는 그보다 더 빠르게 움직였다. 바이오엔텍 본사가 있는 마인츠와 모더나가 있는 케임브리지에 근무하는 연구자들은 바이러스의 유전 정보를 MS 워드 파일 형태로 수신했다.
모더나의 mRNA 전문가들은 48시간 만에 백신을 설계할 수 있었다. 미국에서 최초 감염 사례가 나오기 11일 전의 일이었다. 6주 안에, 모더나는 동물 실험을 위한 냉장 물량을 확보했다.
대부분의 바이오 약물과는 달리, RNA는 배양기나 살아있는 세포에서 만들어지지 않고 화학물질과 효소가 담긴 플라스틱 기구에서 생성된다. 그동안 실제 출시된 mRNA 신약이 없었기 때문에, 새로 개발된 백신을 생산할 공장이나 공급망도 없었다.
미국 식품의약청(FDA)이 백신 접종을 허가하기 직전인 12월 스테판 반셀(Stéphane Bancel) 모더나 CEO와 통화했을 때, 그는 백신 성능에는 자신 있지만 충분한 물량을 생산할 수 있을 지가 문제라고 말했다. 모더나는 2021년 한 해 동안 최대 10억 도스를 만들기로 약속했다. 이는 마치 제조 라인에서 첫 번째 모델 T를 뽑은 헨리 포드에게 10억 대가 더 필요하다는 말을 하는 것과 다름없다고 그는 말했다.
반셀은 mRNA 기술이 준비된 바로 그 시점에 코로나 19 감염이 터진 것이 ‘운명의 장난’ 같다고 말했다.
다시 말해서, 우리는 운이 좋았다.
체내에서 약물을 생산하다
합성 mRNA를 사용해 동물이 체내에서 특정 단백질을 생산하도록 하는 시도는 1990년 처음 있었다. 처음에는 어느 정도 효과가 있는 듯 했지만, 곧 큰 문제가 생겼다. 주사를 맞은 쥐들의 상태가 안 좋아진 것이다. 와이즈만은 “쥐들의 털이 거칠게 곤두서고 체중이 감소하며 활동성도 떨어졌다”고 말했다. 많은 양의 약물을 주입하면 쥐들은 수 시간 안에 죽어버렸다. 그는 “우리는 mRNA를 사용할 수 없다는 것을 금방 깨달았다”고 말했다.
범인은 염증이었다. 수십억 년 동안 박테리아, 식물 및 포유류는 모두 바이러스에서 유전 물질을 식별하고 반응하도록 진화했다. 와이즈만과 카리코는 이후 수 년 간 세포가 어떻게 외부 RNA를 인식하는지 규명하는 작업에 나섰다.
그들이 발견한 바와 같이, 세포는 자신의 RNA와 바이러스의 RNA를 구분하는 탐지 분자들로 가득 차 있다. 이 분자들은 바이러스 유전자를 발견하면, 몸이 바이러스에 대처하는 방법을 배우는 동안 바이러스를 막는 ‘사이토카인’이라는 면역 물질의 폭풍을 일으켰다. 아이즈만은 “항체 반응이 나타나는 데 일주일이 걸린다”며 “그 7일 동안 사람을 살아있게 하는 것이 바로 이 탐지 분자들”이라고 덧붙였다. 하지만 사이토카인 폭풍이 너무 강해도 환자가 죽을 수 있다.
그러다 ‘유레카의 순간’이 왔다. 합성 mRNA를 구성하는 요소들을 화학적으로 변형하면 면역 반응을 회피할 수 있다는 아이디어가 떠올랐다. 이것은 실제로 효과가 있었다. 얼마 지나지 않아 일군의 기업가들이 와이즈만의 통찰을 바탕으로 케임브리지에서 모더나 테라퓨틱스를 창업했다.
그들이 처음부터 백신을 중점에 둔 것은 아니었다. 2010년 회사 설립 당시, 회사 경영진은 생명공학 약전(藥典)의 대부분을 차지하는 단백질 신약들을 RNA 기반 신약으로 대체할 수 있을지 모른다고 생각했다. 환자의 세포에 RNA 설계도를 주입하면, 세포가 직접 약을 생성하는 혁신적 방법이었다. 모더나 공동 창업자이자 이사회장이며, 생명공학 벤처를 육성하는 회사인 플래그십 파이어니어링(Flagship Pioneering)의 대표인 누바르 아페얀(Noubar Afeyan)은 “인간을 단백질 생산 공장으로 만들 수 있느냐가 우리가 직면한 문제였다”고 말했다.
만약 그럴 수만 있다면, 그들은 대체할 만한 가치가 있는 약물을 20개, 30개, 심지어 40개도 쉽게 꼽을 수 있었다. 그러나 당시 모더나는 심각한 부작용 없이 단백질을 필요로 하는 세포에 mRNA를 맞춤 전달하는 방법 개발에 어려움을 겪고 있었다. 또 매달 투여하는 혈액응고제 같은 생명공학의 ‘블록버스터’ 약물을 대체하려면 반복 투약이 필수인데, RNA는 이 점에서 문제가 될 것이라는 점도 알게 되었다. 아페얀은 “한 번은 효과가 있었지만 두 번째는 덜하고, 세 번째는 그보다도 더 낮아졌다”며 “그게 바로 문제였다”고 말했다.
여기서 모더나는 방향을 바꿨다. 어떤 약이 한 번 투약만으로 큰 영향을 줄 수 있을까? 결국 답은 분명해졌다. 바로 백신이었다. 백신을 통해 ‘초도보급(初度補給)’한 단백질은 신체 면역 체계가 면역을 수년 혹은 평생 지속하도록 훈련시키기 충분했다.
두 번째 문제는 일상 환경에 노출될 경우 수 분 안에 파괴되는 민감한 RNA 분자의 포장과 운반이었다. 물방울, 설탕, 또는 연어 정자에서 추출한 단백질 등 40가지 운반체를 시도해 보았다고 와이즈만은 말했다. 마치 에디슨이 전구를 만들기 위해 필라멘트 소재를 찾는 작업과 유사했다. 그는 “학계에 발표된 거의 모든 방법을 시도해봤다”고 말한다. 가장 유망한 것은 지방 혼합물로 구성된 나노 입자였다. 그러나 이것은 영리를 위한 기밀 발명품이었고, 지금도 여전히 이 물질에 대한 특허 분쟁이 진행 중이다. 와이즈만은 5년의 시도 끝에 2014년이 되어서야 이를 손에 쥘 수 있었다.
그는 마침내 이 나노 입자를 손에 넣었고, 곧 사랑에 빠졌다. 와이즈만은 “그것은 우리가 시도해 본 그 어떤 것보다도 더 훌륭했다”라며 “이 물질은 약제로서 완벽했다. 효능이 높고 부작용도 없었다”고 말했다. 2017년 와이즈만의 연구실은 쥐와 원숭이를 위한 mRNA 기반 지카 바이러스 백신을 발표했다. 이 성과는 바이오엔텍의 투자로 이어졌다. 모더나도 재빠르게 움직였다. 그들은 새로운 mRNA 독감 백신의 인간 대상 초기 임상 시험 결과를 빠르게 발표했고, 지카 바이러스 등의 질병과 관련된 일련의 대규모 임상 시험을 시작했다.
사실 모더나는 백신으로 전환하며 어느 정도 손실을 감수했다. MIT 금융공학 연구소의 앤드류 로(Andrew Lo) 교수는 백신은 대부분 제조사에 손해를 끼친다고 말한다. 많은 백신이 “경제적 가치보다 저렴하게” 판매되기 때문이다. 정부는 사람의 수명을 한 달 정도 연장시키는 암 치료제에는 10만 달러(약 1억 1,000만 원)나 지불하지만, 전염병을 영구적으로 예방하는 백신에는 단 5달러만 지불하려고 한다. 로 교수는 지카나 에볼라 바이러스 같은 새로운 전염성 질환에 대한 백신 프로그램이 평균 -66%의 수익률을 낸다고 추산했다. 그는 “백신의 경제적 모델은 망가졌다”고 말한다.
하지만 백신은 더 예측 가능하다. 로 교수 연구팀은 수천 건의 임상 시험을 분석한 결과 백신 개발 프로그램의 성공률이 더 높다는 사실을 발견했다. 효능을 테스트하는 임상 2상 시험에서 백신 후보 물질의 약 40%가 효능을 보였다. 이는 항암제 개발보다 약 10배 더 높은 수치였다.
mRNA 백신의 성공 가능성을 더한 것은 행운이었다. 팔에 주입된 나노 입자는 수지상세포로 곧바로 도달했는데, 바로 이 세포가 면역 체계가 바이러스를 인식하도록 훈련시키는 역할을 하는 세포다. 뿐만 아니라, 이 입자의 어떤 성질이 면역 체계를 활성화시키는 것으로 보였다. 계획한 바는 아니었지만, 나노 입자가 백신 보조제의 역할을 하고 있었다. 와이즈만은 “이런 효과가 있다는 것을 믿을 수 없을 정도였다”고 말한다.
이 백신 덕에 모더나의 CEO 반셀은 신제품을 연이어 출시할 수 있게 되었다. 모든 백신이 동일한 나노 입자 운반체를 사용했으므로 마치 컴퓨터 소프트웨어처럼 빠르게 재프로그램될 수 있었다. 모더나는 심지어 ‘mRNA OS(operating system, 운영체계)’라는 이름으로 상표를 등록했다. 그는 “우리가 어떤 mRNA 백신을 만드는 방식은 다른 백신을 만드는 것과 완전히 똑같다”라며 “mRNA는 일종의 정보가 담긴 분자이기 때문에, 코로나19 백신과 지카 바이러스, 감기 바이러스 백신은 핵산의 순서만 다를 뿐이다”라고 말했다.
95%의 효능
백신 개발 프로그램이 한창 진행 중이던 2020년 3월까지도 회의론자들은 mRNA가 아직 입증되지 않은 기술이라고 말했다. 본지도 백신이 개발되려면 최소 18개월이 소요되리라 예측했는데, 이 전망은 정확히 9개월 빗나갔다. 아페얀은 “때로는 사람들이 오래 걸릴 것이라고 생각하기 때문에 오래 걸리는 일들이 있다”며 “이런 생각은 개발팀에게 심적인 부담을 준다. 사람들이 ‘너무 빨리 가지 말라’고 말하는 셈이기 때문이다”라고 말했다.
모더나와 바이오엔텍이 개발한 백신은 12월 즈음 효과가 입증되어 같은 달 미국에서 승인되었다. 하지만 이러한 기록적 속도는 단지 새로운 기술 때문만은 아니었다. 역설적으로 대규모 감염도 백신 개발에 도움이 되었다. 감염자가 워낙 많았기 때문에 임상에 필요한 자료를 빠르게 모을 수 있었다.
mRNA 백신이 정말 더 나은 백신일까? 대답은 ‘그렇다’라고 할 수 있다. 일부 부작용이 있긴 하지만, 이 백신들은 2번의 접종으로 95%의 예방 효과를 보이는데 이 기록은 지금까지 다른 코로나19 백신과 비교할 수 없을 정도로 훌륭한 성과이다. 독감 백신의 성능보다도 훨씬 우수하다. 감기 바이러스를 전달체로 사용한 아스트라제네카의 백신은 약 75%의 효능을 보인다. 중국에서 불활성화된 코로나19 바이러스로 개발한 백신은 증세를 완화시키기는 했지만 접종자의 절반 정도만 예방 효과를 보았다.
트랜슬레이트 바이오(Translate Bio) 론 르나드(Ron Renaud) CEO는 “이것은 앞으로 우리가 백신을 만드는 방법을 변화시킬 수 있다”고 말한다.
백신의 높은 효능과 재프로그램이 용이하다는 특징 때문에 연구자들은 이미 HIV, 헤르페스, 유아호흡기 바이러스 및 말라리아 – 즉, 효과적인 백신이 존재하지 않는 모든 감염성 질병 – 에 이를 적용할 준비를 하고 있다. 다른 것도 개발되고 있다. 하나는 ‘범용’인 감기 백신이고, 다른 하나는 와이즈만이 ‘범-코로나 바이러스(pan-coronovirus)’ 백신이라고 부르는 것이다. 이 백신은 이 범주에 포함되는 수천 가지 병원체에 대해 기본적 방어를 제공한다. 코로나19뿐 아니라 사스(SARS) 감염, 어쩌면 앞으로 등장할 다른 전염병 감염도 예방할 수 있을 것이다.
와이즈만은 “이런 감염병이 더 많이 닥쳐올 것으로 간주해야 한다”며 “새로운 백신을 만들 때까지 1년 동안 세계를 폐쇄하는 대신, 우리는 언제든 당장 사용할 수 있는 백신을 얻게 될 것”이라고 말했다.
지난봄, 반셀은 mRNA 대량 생산 시설에 정부 예산을 지원해 달라고 청원하기 시작했다. 그는 “기업들이 평시에 일상적 목적으로 사용”할 수 있지만, 새 팬데믹이 닥쳤을 때 신속하게 백신 대량 생산이 가능하도록 전환할 수 있는 대규모 제조 시설을 꿈꾼다. 이는 코로나19 바이러스처럼 빨리 퍼지면서 에볼라처럼 50% 사망률을 가진 감염병이 퍼지는 최악의 시나리오에 대비하는 보험이 될 수 있다. 지난 4월 그는 ”만일 정부가 절대 사용하지 않기를 바라는 핵무기에 수십억 달러를 지출한다면, 마찬가지로 이러한 팬데믹이 다시는 발생하지 않도록 장비를 갖추어야 한다”고 주장했다.
그달 말, 빠르게 백신을 생산하기 위한 미국의 ‘워프 스피드 작전(OWS, Operation Warp Speed)’의 일환으로 모더나는 그러한 센터를 건립할 기업으로 선정되었다. 정부는 백신 개발과 제조 시설 확대를 위해 거의 5억 달러(약 5,500억 원)을 지원했다.
백신을 넘어서
어떤 연구자들은 코로나 바이러스 백신 이후에 모더나와 바이오엔텍이 심장마비, 암 또는 희귀 유전병과 같은 더 일반적인 질병을 치료하는 기술에 집중하는 원래 계획으로 돌아가기를 기대한다. 하지만 그 분야에서 성공할 보장은 없다.
루이기 워렌(Luigi Warren)은 “원칙적으로는 합성 mRNA 치료를 적용할 수 있는 분야가 매우 많지만, 현실에서는 대부분의 경우 충분한 양의 mRNA를 신체의 올바른 위치에 전달하는 것은 극복하기 힘든 난제가 될 것”이라고 말한다. 그는 생명공학 기업가이며, 박사후 연구원 시절 그의 연구는 모더나의 핵심이 되었다.
그러나 백신 외에도 mRNA를 짧게 노출시키는 것만으로 수년 또는 일생에 걸쳐 영향을 미칠 수 있는 분야가 하나 더 있다.
코로나19가 퍼지기 전인 2019년 말, 미국국립보건원(NIH)과 빌게이츠재단은 사하라 이남 아프리카에서 사용할 수 있는 저렴한 유전자 치료법 개발에 2억 달러(약 2,200억 원)를 후원한다고 밝혔다. 가장 우선순위가 높은 과제는 그 지역에 만연한 HIV와 겸상 적혈구 빈혈이다.
게이츠와 NIH는 이러한 최첨단 치료법을 저렴하고 사용하기 쉽게 만드는 방법이 무엇인지 밝히지는 않았다. 와이즈만은 이 계획의 성패가 어쩌면 mRNA를 활용해 CRISPR 같은 유전자 편집 도구에 지령을 추가, 사람의 유전자에 영구적 변화를 일으키는 기술에 달려있다고 말한다. 대규모 백신 접종 캠페인과 비슷한데, 다만 예방 주사를 맞는게 아니라 유전병을 일으키는 유전자를 수정하는 것이다.
현재, 유전자 치료는 복잡하고 비용이 많이 든다. 2017년부터 미국과 유럽에서 몇몇 유전자 치료가 허가되었다. 그중 하나는 바이러스가 망막에 새로운 유전자를 전달하는 방식인데, 한쪽 눈에 42만 5,000 달러(약 4억 7,000만 원)의 비용이 든다.
인텔리아테라퓨틱스(Intellia Therapeutics)라는 스타트업은 CRISPR를 RNA와 통합하고 다시 나노 입자에 넣은 치료법을 시험하고 있다. 고통스러운 유전성 간 질환의 치료를 겨냥한다. 사람의 세포에 유전자 가위가 나타나게 하고, 문제 되는 유전자를 잘라낸 다음, 사라지게 하는 것이 목표다. 이 회사는 2020년 처음으로 환자에게 이 약을 시험했다.
인텔리아가 간 질환 치료제를 선택한 것은 우연이 아니다. 정맥주사로 혈류를 따라 나노 입자를 흘려보내면, 이들은 결국 인체의 청소 기관인 간으로 모인다. 와이즈만은 “만약 당신이 간 질환을 치료하고 싶다면 나노 입자는 아주 탁월한 선택이다. 그러나 그렇지 않다면, 문제가 어려워진다”고 말한다.
그러나 와이즈만은 나노 입자가 골수 안에 들어가도록 하는 방법을 알아냈다고 말한다. 골수는 모든 적혈구와 면역 세포가 생산되는 곳이다. 이 방법은 대단한 가치를 지닌 기술일 것이다. 그가 “특허가 등록될 때까지” 기자에게도 방법을 말할 수 없다고 할 정도로 말이다.
그는 이 기술을 사용하여 신체의 혈액 공장 세포에 새로운 정보를 보내 겸상 적혈구 빈혈을 치료하려고 한다. 또 T세포라는 면역 세포가 HIV를 찾아 파괴하는 임무를 수행하고, 한번의 치료로 감염을 영구히 치료하는 기술의 연구진과도 협업하고 있다. 이들은 원숭이 대상 전임상 실험을 앞두고 있다.
이러한 시도들은 mRNA를 담은 지방 입자가 대규모 유전자 편집을 저렴하게 실행하는 수단이 될 수 있다는 기대에 따른 것이다. 혈액 체계를 재구성하는 주사 약제는 백신만큼이나 유용한 공중 보건 기술이 될 수 있다. 유전병인 겸상 적혈구 빈혈은 수명을 수십 년 단축시키며, 가난한 지역에서는 아동기에 사망하는 일도 흔하다. 특히 적도 아프리카, 브라질, 미국의 흑인에게 심각한 부담을 안긴다. HIV 또한 지속적인 재앙으로 남아 있다. 이 바이러스와 함께 살아가거나 이 바이러스로 죽는 사람의 약 3분의 2가 아프리카에 있다.
모더나와 바이오엔텍은 코로나19 백신을 접종 1회당 20-40달러의 가격으로 판매해왔다. 이 가격으로 유전자 치료도 할 수 있다면 어떨까? 와이즈만은 “우리는 접종 한 번으로 겸상 적혈구 빈혈을 치료할 수 있게 될지도 모른다”라며 “이것은 획기적으로 새로운 치료법이 될 것”이라고 말한다.
mRNA 기술에는 엄청난 부가 따라 왔다. 반셀을 포함해 모더나와 바이오엔텍 관계자 중 최소 5명이 억만장자가 되었다. 와이즈만은 그들 중 하나는 아니지만, 특허 로열티를 받는다. 그는 사람들이 무엇을 연구하거나 연구하지 말라고 자신에게 강요하는 것을 싫어하기에 학계를 선호한다고 말한다. 그는 언제나 새로운 과학적 도전을 찾고 있다. 그는 “백신이 진부한 연구 대상이라는 것은 아니다. 하지만 mRNA 백신이 효과가 있을 것이라는 사실은 너무나 명백했다”라며 “mRNA는 앞으로도 믿을 수 없을 정도로 발전할 것”이라고 말했다
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