새로운 연구에 따르면 바이러스 감염에 대한 강력한 면역 반응을 유발할 수 있는 백신 설계 규칙을 식별하는 독창적인 기술이 밝혀졌다. 이 기술은 HIV, SARS-CoV-2 및 기타 바이러스를 활용한 실험에서 잠재력을 보였다.
미국 매사추세츠공과대학(MIT) 과학자들은 DNA 종이접기(DNA Origami) 기술을 활용한 DNA 구조 조작 방법을 사용해 효과적인 면역 반응을 유도했다. 연구진은 실험실 환경에서 바이러스와 유사한 구조를 사용해 기술이 인간의 B 세포를 자극한다는 사실을 알아냈다. 림프구의 하나이자 항체 생성에 관여하는 B 세포를 자극하면 에이즈를 일으키는 HIV 바이러스나 신종 코로나바이러스 백신을 만드는 데 활용될 수 있다.
백신 디자인 규칙과 DNA 종이접기
새로운 백신을 개발하기란 매우 어렵고 까다롭다. 생의학 전문가들도 극복할 수 없는 어려운 메커니즘이 존재하기 때문이다. 예를 들어 HIV에 의해 사용되는 독특한 메커니즘은 항 레트로 바이러스 약물을 피할 수 있어 몇 년 동안 치료를 받아도 이 질병에서 완전히 벗어날 수 있는 사람은 없다. 그런데 MIT 연구진이 백신 모델에 적용할 수 있는 솔루션을 찾았다.
이들이 발견한 해결책은 DNA 종이접기 또는 바이러스와 유사한 구조를 이용해 감염에 반응하는 면역세포를 활성화하는 것이다. 이런 방식을 활용한다면 HIV는 물론 현재 전 세계 사람들이 필요로 하는 코로나19 백신을 만들어낼 수 있다. 과학자들은 DNA를 접은 다음 구조 속에서 HIV와 유사한 입자를 생성했다. 이 입자는 바이러스와 비슷한 크기와 모양을 갖고 있다. 이 입자로 인해 B 세포에서 강력한 면역 반응이 일어난다.
MIT 암연구소 연구원이자 이번 연구의 수석 저자 대럴 어빈은 "연구에서 만들어진 대략적인 설계 규칙은 여러 질병에 전반적으로 적용될 수 있을 것이다"라고 말했다.
DNA 종이접기는 DNA 분자 연구 분야에서 이루어진 가장 최근 기술 중 하나다. 연구진은 수십 년 동안 DNA 분자가 프로그래밍될 수 있으며 약물 전달을 포함한 수많은 생물학 응용 분야에서 사용될 수 있다는 사실을 알고 있었다. 이번 연구에 참여한 마크 배스는 기술에 필요한 알고리즘을 개발했다. 알고리즘은 임의의 3D 바이러스 유사 형태를 설계 및 구축할 수 있었는데, 이를 활용해 과학자들은 합성 DNA의 구조를 정확하게 구성했다.
기술은 표면에 항원을 포함하는 자연적인 바이러스와 이 항원을 인식할 수 있는 B 세포에 대한 지식을 활용한 것이다. 바이러스 입자를 포함한 새로운 백신은 B 세포를 모방한다. 그러나 여기에는 문제가 있다. B 세포는 항원 사이의 특정한 크기, 모양, 그리고 간격만 인식할 수 있다. 크기, 모양, 간격 중 어느 하나라도 오류가 있으면 B 세포가 활성화하지 않는다.
MIT 과학자들은 이전 연구와 비교해 20면을 가진 다면체 입자를 디자인했다. 바이러스학에서 정이심면체 껍질(icosahedral capsid)을 가진 바이러스는 20개의 삼각형 면을 갖고 있는데, 이런 바이러스에는 아데노바이러스 및 폴리오바이러스가 속한다. 연구진은 공학적으로 만들어진 HIV 항원을 gp120 단백질과 결합해 DNA 스캐폴드에 부착했다. 그리고 B 세포가 반응하는지 확인했다.
실험 결과 B 세포에서 면역 반응을 유도했는데, 가장 강력한 면역 반응은 한 곳에서 발견됐다. 스캐폴드 표면과 그리 가깝지는 않은 항원에서 발견된 것이다. 두 개의 항원 사이 거리가 멀수록 B 세포가 신호를 받을 가능성이 큰 것으로 보인다.
글로벌 예방 접종
2017년 9월에 실시된 인식의 위험성 조사에 따르면, 전 세계적으로 예방 접종이 예상되는 범위는 85.8%였다. 여러 국가 시민들에게 세계에서 한 살짜리 어린아이 중 몇 명이나 예방 접종을 받을 것이라고 예상되느냐고 질문하자, 많은 사람이 예방 접종 범위가 이미 80% 이상에 도달했다는 사실을 알지 못했다.
예방접종의 예상 범위는 18~67% 정도였는데, 세네갈에서는 사람들이 평균적으로 67%라고 예상해 실제 예방 접종 범위와 유사했다. 케냐인들은 65%라고 답했고, 나이지리아인들은 57%라고 답했다. 인도인들은 50%, 멕시코인들은 45%라고 답했다. 미국인들은 35%, 러시아인들은 34%, 스웨덴, 영국, 독일, 이탈리아인들은 31%, 한국인들은 26%, 일본인들은 18%로 예상했다. 선진국에 속할수록 예방 접종의 예상 범위를 과소평가하는 경향이 있었다.
과학자들은 현재 코로나 19를 일으키는 바이러스인 SARS-CoV-2에 DNA 종이접기 기술을 적용할 수 있을지 연구를 진행하고 있다.