중국 기업 시노백 연구팀이 처음으로 영장류를 이용한 코로나19 백신 실험에 성공했다고 밝혔다. 사진은 실험에 이용된 것과 같은 종인 붉은털원숭이(레서스 마카크)의 모습이다. 위키미디어 제공 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19 코로나19) 사태가 장기화하면서 치료와 예방과 관련한 과학과 의학 분야 기초연구도 속도를 내고 있다. 사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2) 구조부터 환자 사례 보고까지 다양한 주제를 다룬 연구 이면에는 이들을 뒷받침한 숨은 공신들이 있다. 안전한 백신과 치료제 개발을 지원하는 몸을 바치는 실험동물과, 수백명의 과학자를 대신해 복잡한 데이터 계산을 지원한 슈퍼컴퓨터다. 이런 가운데 국내 기술로 개발한 첫 영장류 모델이 이번주 첫 치료제 실험에 들어갔다. 국내 연구기관이 운용하는 슈퍼컴퓨터도 코로나19 연구자를 위한 지원에 나섰다.
●국내 기술로 코로나19 영장류 모델 개발 성공…치료제 실험 들어가
동물실험은 치료제와 백신의 효과를 생체에서 확인하는 가장 첫 단계다. 인간과 유사한 바이러스 감염 및 증상을 보이는 동물이 대상이 된다. '비인간영장류'는 인간과 가장 가까운 동물이라는 점에서 가장 중요한 공헌자로 꼽힌다. 붉은털원숭이가 널리 활용되고 있다.
3월 미국국립보건원(NIH) 국립알레르기감염병연구소(NIAID)에 따르면 이 원숭이는 코로나19에 감염된 뒤 약 8~16일 동안 병을 유지하는 것으로 나타났다. 원숭이는 사람처럼 중증으로 발전하지 않지만 코와 목에서 많은 바이러스가 검출되고 폐침윤물이 형성되는 등 증상은 인간과 비슷하다. 연구팀은 “인간의 경증 또는 중간 정도의 증세를 보이는 코로나19 감염 동물 연구 모델로 쓰일 수 있다”고 결론을 내렸다.
지난달 중국 생명공학기업 시노백은 자체 개발중인 백신의 효과를 검증하기 위해 붉은털원숭이 8마리를 대상으로 한 동물실험을 거쳤다. 치료제로 주목받는 렘데시비르 역시 지난달 중순 붉은털원숭이를 이용한 동물실험을 거쳤다.
국내에서는 한국생명공학연구원 감염병연구센터가 최근 코로나19에 감염되고 증상을 보이는 붉은털원숭이를 활용해 분석 모델 2종을 개발했다. 이들 원숭이들은 이달 초 국내 기업 한 곳의 치료제 후보물질을 대상으로 첫 실험에 들어갔다. 류충민 감염병연구센터장은 7일 “경증 및 중간 정도의 증상을 고르게 보이는 영장류 모델은 세계적으로도 흔치 않다"며 "생물안전3등급(BSL3) 시설에서 실험동물 윤리를 고려한 복잡한 절차를 모두 따르면서도 개발 기간을 평소의 2분의 1~3분의 1로 줄여 두 달 만에 성공했다”고 밝혔다. 류 센터장은 “여러 기업을 선정한 상태이며 치료제부터 백신까지 실험을 해 나갈 예정”이라고 말했다.
미국 비영리의학연구소 잭슨연구소는 2007년 개발된 코로나19 감염 유전자변형마우스의 정자와 배아를 냉동보관하고 있다. 최근 이 연구소는 이 마우스를 증식해 코로나19 실험을 위해 공급하는 작업에 착수했다. 잭슨연구소 제공 ●인간과 비슷한 단백질 만드는 쥐 만들어 코로나19 연구
생명과학 연구에서 중요한 역할을 하고 있는 쥐 역시 치료제와 백신 개발 현장에서도 활약하고 있다. 쥐는 바이러스가 인체의 상피세포에 감염될 때 중요한 역할을 하는 표면의 에이스투(ACE2) 단백질이 사람의 ACE2와 많이 달라 바로 감염 실험에 이용될 수는 없었다. 하지만 2003년 중증급성호흡기증후군(SARS·사스)을 계기로 미국 아이오와대 연구팀이 인간의 ACE2를 지니는 마우스를 개발하면서 감염 연구에도 활용되고 있다. 이 쥐의 배아와 정자를 보관하던 미국의 의학연구소인 잭슨연구소는 최근 이 유전자변형마우스를 다시 발굴해 인공수정을 통해 생산하고 있다.
국내에서도 국가마우스표현형분석사업단이 치료제와 백신 개발의 전임상시험을 위해 ACE2 단백질을 지니고 폐 병변을 일으키는 유전자변형마우스를 개발하고 있다. 성제경 국가마우스표현형분석사업단장은 “바이러스 변이 상황을 고려해 5종의 코로나19 감염 모델 마우스를 발굴하고 있다"며 "5~6월 첫 새끼를 낳으면 8월쯤에는 연구기관 등에 공급이 가능할 것으로 보인다"고 말했다.
햄스터와 흰족제비도 이번 코로나19 사태를 계기로 새롭게 주목받고 있다. 햄스터는 ACE2 단백질이 쥐보다는 사람에 더 가깝고 페럿은 인플루엔자 연구에 널리 쓰이며 폐의 생리학이 인간과 비슷하다는 장점이 있다.
●단백질 구조 연구, 치료 화합물 후보 검출 돕는 슈퍼컴퓨터
동물들이 백신과 치료제 효능과 안정성 확보를 위해 자기 몸을 희생한다면 슈퍼컴퓨터는 코로나19 치료제 개발 초기 과정을 책임지고 있다. 바이러스 단백질의 구조를 밝히고 다양한 후보물질과 어떻게 결합하는지 확인하는 데 많은 계산이 필요하다. 연구자 개인이 이런 컴퓨터를 확보할 수는 없기 때문에 고성능 컴퓨터를 보유한 기관들이 무상으로 컴퓨터 이용시간을 제공하고 있다.
미국에너지부 산하 브룩헤이븐국립연구소는 자체 보유한 슈퍼컴퓨터를 이용해 코로나19 바이러스나 치료제의 구조를 밝히는 연구를 지원하고 있다. 여러 연구기관과 기업, 대학이 다양한 컨소시움을 구성해 코로나19 연구를 돕고 있다. 브룩헤이븐국립연구소 제공 전세계적으로 초유의 감염병 사태가 발생하면서 슈퍼컴퓨터를 지닌 연구소들이 이 문제 해결에 나섰다. 과학연구를 지원하기 위해 컴퓨터 계산 자원을 제공하는 '오픈사이언스그리드(OSG)컨소시움'이 대표적이다. 원래는 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(LHC)가 생산하는 막대한 입자물리 충돌실험 데이터를 처리하기 위해 태어났지만, 입자물리학 외에 구조생물학 등의 연구를 지원하고 있다.
LHC팀 외에도 미국의 국립연구소와 대학 등 70여 개 기관이 참여하고 있다. 코로나19 사태를 맞아 기초연구를 위한 계산시간을 제공하고 있다. 바이러스 단백질이나 유전물질(RNA) 입체 구조를 밝히는 자발적 시민과학 프로젝트인 ‘폴딩앳홈’ 등 3개 프로젝트가 현재 지원을 받고 있다.
IBM과 아마존웹서비스, 엔비디아, 구글클라우드 등 기업과 미국의 7개 국립연구소, 대학 등 37개 기관이 연합한 ‘코로나19 고성능컴퓨팅(HPC) 컨소시움’ 역시 단백질 구조 해석 등 41개 코로나19 관련 구조 연구 지원에 나섰다. 국내에서는 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 슈퍼컴퓨터 5호기 ‘누리온’을 무상으로 제공하고 있다. 중소기업 및 코로나19 치료제 및 백신 개발 연구자에 한해 기간 제한 없이 신청을 받고 있다.
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