다중 신호 처리 가이드 RNA의 개발 과정과 주요 성과

김종민(Jongmin Kim) 포항공과대학교(POSTECH) 생명과학과 조교수

경력

2000 포항공과대학교 이학사 (Summa Cum laude)

2007 California Institute of Technology (미국 칼텍) 이학박사

Cbs바이오사이언스 선임연구원

미국 California Institute of Technology 박사후연구원

미국 Harvard University 리서치 펠로우

미국 NuProbe Senior Scientist

강한솔(Hansol Kang) 포항공과대학교(POSTECH) 생명과학과 석박사통합과정 대학원생

경력

2020 포항공과대학교 이학사

미국 Mount Sinai Innovation Partners 펠로우

서론: 세포 프로그래밍 기술의 등장과 유전자-세포치료제의 발전

​ <RNA를 재료로 디자인 된 논리회로들은 다양한 신호 연산을 수행할 수 있으며, 이러한 RNA 기반의 논리 회로들을 살아 있는 세포들에서 조립함으로써 마치 작은 컴퓨터들 처럼 다양한 기능을 수행하도록 세포를 정교하게 프로그래밍 할 수 있다. 제공. 애리조나 주립대>

세포 프로그래밍이라고 하면 많은 사람들이 ‘멋진 신세계’ 혹은 ‘매트릭스’ 속 인류들처럼 자아가 사라지고, 기계화되어 삭막한 세계를 떠올리곤 한다. 당장이라도 생명력으로 꿈틀거릴 것 같은 ‘세포’와 기계적이고 계산적인 ‘프로그래밍’이라는 두 단어의 조합이 이질적으로 느껴지는 탓이다. 그러나 세포 프로그래밍은 DNA, RNA, 단백질과 같은 생물의 기본적인 구성 블록들을 합리적 설계에 기반해 재구성하는 공학적 접근법을 의미한다. 세포 프로그래밍은 다양한 생명체의 기능들을 모듈로 분해, 제어, 재조립하는 것으로, 4차 산업혁명 시대를 맞이하여 핵심적인 분야로 떠오르고 있다. 의약 분야의 예를 들면, 암세포를 식별할 수 있는 센서들을 박테리아 세포치료제에 이식함으로써 박테리아 세포가 우리 몸속에 숨어 있는 암세포를 직접 찾아내어 치료하고, 치료가 완료되면 자연스레 몸 밖으로 배출되도록 프로그래밍할 수 있다.

또 다른 사례로는 면역 세포 프로그래밍을 들 수 있다. CAR-T (Chimeric Antigen Receptor T-cell) 치료법은 환자의 T 면역세포를 유전적으로 변형하여 암세포를 효과적으로 인식하고 공격하도록 프로그래밍하는 것이다. 특정 대사물질을 분해하지 못하는 대사질환의 경우, 프로그래밍 된 세포치료제가 대신 대사물질을 섭취하여 인간이 소화할 수 있는 에너지원으로 변환시키도록 디자인될 수 있다. 이처럼 세포의 유전정보를 디자인하여 프로그래밍 된 치료 기능을 수행할 수 있도록 하는 치료제를 유전자-세포치료제라고 한다. 세포치료제가 이러한 정밀하고 강력한 기능을 발휘하기 위해서는 더욱 고도화된 고성능, 고효율의 유전자 부품들과 체계적인 방식의 세포 재설계가 필요하다.

세포 프로그래밍과 바이오컴퓨팅의 결합 - 다중 신호 처리 가이드 RNA의 개발 과정

<다중 신호 처리 가이드 RNA 에 대한 이미지 자료. 다양한 신호 연산을 수행할 수 있는 RNA 논리 회로와 크리스퍼/카스 단백질을 결합하여 살아 있는 세포의 유전자 발현을 마치 작은 컴퓨터의 인터넷이나 게임을 켜고 끄듯이 자유자재로 제어할 수 있다. 이를 통해 세포를 보다 효과적으로 프로그래밍 함으로써 다양한 환자의 병증에 최적화된 맞춤 의료를 실현할 수 있다. (Kang et al., Nucleic Acids Research, 2024)>

본 연구팀은 세포 프로그래밍 기술에 바이오컴퓨팅 기술을 결합하여 보다 체계적으로 고성능, 고효율의 유전자-세포치료제를 개발하는 데 집중하고 있다. 바이오컴퓨팅이란, DNA 나 RNA, 단백질 같은 생물학적인 부품들을 전자 회로처럼 연결하여, 세포가 여러 신호와 상황을 고려하여 치료 물질을 만들거나 병에 걸린 조직으로 이동하는 작업을 수행하도록 보다 정교하게 프로그래밍하는 기술이다. 본 연구팀은 디지털화된 신호 연산의 입출력관계를 나타내는 가장 기본적인 표현법 중 하나인 부울 논리 게이트(Boolean Logic Gate) 처럼 입력값을 기반으로 의사 결정을 수행하는 가이드 RNA 유전자 회로를 구현했다. 세포 내 나노 분자 정보에 따라 특정 조건에서만 선택적으로 활성화해, 두 개 이상의 나노 분자 정보를 바탕으로 에너지 대사 과정을 비롯한 다양한 생명 현상을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여주었다.

연구팀은 이를 바탕으로 ‘유전자 가위’로 불리며 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있는 ‘크리스퍼/카스’ 시스템을 효율적으로 제어하는 데 성공했다. 또한, 여러 논리 게이트를 결합하여 다양한 신호와 복잡한 입력값을 처리하고, 이 회로를 통해 적절한 수준으로 세포 형태와 대사 흐름을 제어하는 능력까지 입증했다. 이번 연구는 기존 시스템과 기술을 결합해 가이드 RNA가 특정 위치로 효소를 안내하는 역할에서 나아가 생물체 내 다양한 신호들을 처리-통합하고, 이에 반응하도록 유전자 네트워크를 정밀하게 제어했다는 점에서 큰 의의가 있다. 특히 본 연구팀이 개발한 RNA 유전자 회로는 소프트웨어 기반 설계가 쉬워서 암과 유전 질환, 대사 질환 등에 대한 맞춤형 치료법 개발에 큰 도움이 될 것으로 전망한다.

산업의 전망

유전자-세포치료제 개발 과정에도 해결해야 할 과제도 남아 있다. 우선, 실험의 ‘양’이 관건이다. 세포 설계가 효과적인지 검증하려면 시제품이 되는 세포들을 더욱 많이 실험해야 하고, 보다 다양한 후보를 확보하여 테스트해야 한다. 이에 따라 더 많은 전문 인력의 양성을 필요하다. 빠르게 발전하는 기술의 사회적 역할에 대한 고민도 이에 못지않게 중요하다. 재미있는 가능성을 넘어 중요한 사회적 문제를 해결할 열쇠로의 확장이 점점 요구되고 있다. 이에 전 세계적으로 해당 분야 전방위에 걸쳐 연구 및 기술 개발에 대한 정부 주도의 대대적인 투자가 이뤄지고 있으며, 2032년 에는 1천억 달러 수준으로 산업이 급팽창할 것으로 기대되고 있다.

국내에서도 한국생명공학연구원과 CJ제일제당을 포함한 다양한 기업이 협력하는 바이오파운드리 프로젝트를 중심으로 국내 유전자-세포치료제 연구 개발을 뒷받침하고 있다. 바이오파운드리는 합성 생물학, 세포 개량 자동화 시설과 AI 기술을 활용해 바이오 제품의 생산을 최적화하고 규모를 확대하는 첨단 시설로, 미국, 중국, 유럽 등에서 활발하게 운영되며 다양한 바이오 스타트업들의 시제품 상업화를 지원하고 있다. 대표적인 유전자-세포 치료제 중 하나인 CAR-T 치료제나 면역세포 기반 유전자-세포치료제를 개발하는 국내 기업에는 큐로셀, 앱클론, GC셀, 바이젠셀 등과 같은 기업이 기술력을 인정받고 있으며, 우수한 연구 성과를 바탕으로 치료제 개발에 앞장서는 혁신 기업들이 속속 등장하고 있어 한국의 유전자 및 세포치료제 산업의 성장과 국제적 경쟁력 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.

커리어 정보 및 조언

세포 프로그래밍 기술은 학제적인 학문으로 컴퓨터공학, 나노공학, 전기전자공학, 생명과학, 화학, 물리학, 기계공학 등 다양한 분야에 열린 사고와 호기심을 갖고 넓게 보려는 태도가 중요하다. 생체재료를 다루는 만큼 유전자, 단백질, 세포생물학 등에 대한 깊은 이해는 필수적이다. 매 순간 끈기 있게 최선을 다하고 후회가 남지 않도록 경계하되, 틀렸다고 생각되면 변화할 수 있는 유연한 자세도 필요하다. 본인의 연구에 대해서 동료들과 자주 이야기하고, 다른 사람과 비교하기보다 좋은 것을 배우고 나누려는 협력적인 태도를 갖고, 경험 많은 선배나 교수님을 멘토로 삼아 조언을 구하고 성장의 발판으로 삼으면 더할 나위 없을 것이다. 유전자-세포치료제 분야는 무궁무진한 가능성을 지니고 있으며, 다른 분야에 비해 많은 여성 과학기술인들이 성공적인 커리어를 발전시켜 나가고 있는 분야이기도 하다. 미래의 여성 과학기술인들이 이 분야에서 자신의 역량을 펼치고, 인류의 건강과 복지에 기여하는 연구를 이어 나가기를 기대한다.