질병관리청 국립보건연구원(원장 남재환)이 인공지능을 활용해 코로나19 바이러스 변이에 폭넓게 대응할 수 있는 차세대 백신 설계 전략을 개발했다.
국립보건연구원은 고려대학교 백신혁신센터(센터장 정희진)와의 공동연구를 통해 특정 변이에 맞춰 백신을 계속 재개발해야 했던 기존 방식의 한계를 극복하는 새로운 항원 설계 방법을 제시했다.
이번 연구 성과는 국제학술지 ‘Frontiers in Immunology’에 게재됐다.
여진아·윤미란·김서연 연구원이 공동 제1저자로, 김유진·김도근 박사가 공동 교신저자로 참여했다.
◆기존 백신의 구조적 한계와 문제점
현재 코로나19 백신에 사용 중인 항원(스파이크 단백질)은 구조 안정화를 위해 세포막 결합 부분에 두 개의 변이를 도입하고 있다.
이는 항원 구조를 안정화시켜 면역원성을 높이는 효과가 있다.
그러나 바이러스 방어에 중요한 중화항체의 표적 부분이 계속 변이를 일으키며 백신 효과가 약해질 수 있다는 점이 지속적인 문제로 지적돼 왔다.
이에 따라 새로운 변이가 유행할 때마다 백신 항원을 다시 설계해야 하는 한계가 있었다.
◆계산 기반 공통 서열 분석으로 항원 구조 설계
연구진은 여러 SARS-CoV-2 변이에서 공통으로 유지되는 유전자 서열을 분석하고, 구조 예측 및 에너지 계산을 통해 단백질 안정성을 향상시킬 수 있는 변이를 탐색했다.
스파이크 단백질의 N-말단 도메인(NTD)에 안정화 변이를 도입해 항원 구조 완성도 및 발현 효율을 향상시켰다.
오미크론 이전 공통 서열 기반 항원(Css_dsg S)에는 5개 변이를, 오미크론 기반 항원(Omi_dsg S)에는 9개 변이를 각각 도입했다.
특히 N-말단 부위의 2개 주요 사이트(Q173S, S256Q)에 안정화 변이를 도입한 결과, 최근 유행 변이인 JN.1에서도 항원 발현 효율 및 구조적 안정성이 향상됨을 확인했다.
(그림)계산 기반 설계로 개발한 차세대 코로나19 백신 항원 구조 및 면역 효과
(첫 번째 그림) 초기 코로나19 변이까지 공통적으로 유지되는 서열 특성을 반영한 항원(Css_dsg S)에 대한 구조 안정성 변이 도입.
(두 번째 그림) 해당 항원으로 제작한 mRNA 백신(1가, 2가)을 접종한 동물모델에서 확인된 감염 보호 효과를 보여줌. 코로나19 변이(BA.5, BN.1) 감염 시, 3일후 폐 내 바이러스량이 유의하게 감소함.
◆동물모델 실험에서 우수한 면역 효과 입증
오미크론 이전 공통 서열 기반 항원과 오미크론 기반 항원을 결합한 2가 mRNA 백신을 제작해 지질나노입자(LNP) 기반 전달체로 제형화한 후, BALB/c 및 K18-hACE2 마우스 모델에 근육 주사로 접종했다.
동물모델 실험 결과, 여러 코로나19 변이(Ancestral, BA.5, BN.1, JN.1)에 대해 중화항체와 T세포 면역반응이 모두 증가했다.
특히 최근 유행한 변이에 대해서도 우수한 감염 억제 효과를 보였다.
2가 mRNA 백신 접종 후 코로나19 변이주(BA.5, BN.1) 감염 시, 3일 후 폐 내 바이러스량이 유의하게 감소해 강력한 교차 면역 반응을 확인했다.
◆능동적 백신 개발 패러다임 전환
이번 연구의 핵심은 자연계 바이러스 변이주 발생에 따라 수동적으로 백신을 개발하던 방식에서 벗어났다는 점이다.
인공지능을 활용해 백신 항원 자체를 구조적으로 더 안정적이고 효율적으로 설계함으로써 백신 항원의 효능을 향상시키고, 향후 발생할 변이에 대응할 수 있는 백신 개발 가능성을 제시했다.
이는 변이를 단순히 추적하는 백신 개발 방식에서 항원 구조 자체를 안정화하는 차세대 mRNA 백신 설계 전략으로의 전환을 의미한다.
◆다양한 감염병 백신 개발 플랫폼으로 확장 전망
김유진 감염병백신연구과장은 “이번 연구는 구조 예측을 바탕으로 항원을 안정화시킴으로써 다양한 변이에 대응할 수 있는 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 다양한 감염병에 적용 가능한 mRNA 백신 및 단백질 백신용 차세대 항원 설계 기술로 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.
남재환 국립보건연구원장은 “이번 성과는 국립보건연구원이 추진해 온 백신 연구의 축적된 성과를 보여주는 사례”라며 “국가 차원의 감염병 대비 역량을 강화하는 데 중요한 기반이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
연구진은 “이번 연구 성과가 코로나19뿐 아니라 빠르게 변이를 일으키는 신종 감염병 바이러스에 대해 신속하고 유연한 mRNA 백신 및 단백질 백신 개발 플랫폼으로 확장 활용 가능하다”고 강조했다.
[메디컬월드뉴스]
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