mRNA 혁명이 시작됐다

코로나19 백신 개발은 혁명적인 mRNA(메신저 리보핵산) 기술에 획기적인 돌파구를 마련했다. 바이오엔테크와 모더나 등 바이오테크 신생기업들은 mRNA 기술을 통해 심장마비, 암, 알츠하이머 등 인류가 겪는 수많은 최악의 질병에 도전하고 있다. 이런 도전은 과연 성공할 수 있을까? 또 이들 바이오테크 신생기업은 대형 제약회사와의 경쟁에서 살아남을 확률은 얼마나 될까? _편집자

예르크 블레흐 Jörg Blech
클라우스 헤킹 Claus Hecking <슈피겔> 기자

▲ 대부분의 사람은 엠아르엔에이(mRNA) 기술을 코로나19 팬데믹을 종식할 수 있는 성공적 수단인 백신으로 처음 접했다. 한 연구자가 실험실에서 mRNA 백신 개발에 몰두하고 있다. REUTERS

흉골이 갈라지고 심장이 멈춘다. 의사들은 서둘러 미래의 의술을 행한다. 의사들은 (시행 중인) ‘바이패스 수술’(심장에 혈액을 공급하는 관상동맥이 막혔을 때 막힌 부분을 우회해 다른 혈관을 이식하는 수술)을 중단하고 이번에는 환자의 심장 근육조직에 미세 배관을 주입해 200마이크로리터(0.001밀리리터) 분량의 약물을 주사기로 투입한다. 이 모든 행위를 하는 데 의사들에게 주어진 시간은 10분이다.
의사들이 전통적인 바이패스 수술을 완료하자 환자의 심장이 다시 뛰기 시작한다. 바이패스 수술로 심장에는 전보다 더 많은 피가 수혈된다. 하지만 기존 전통 치료법은 심장질환을 아예 없던 것으로 만들 수는 없다. 병든 심장을 다시 멀쩡하게 만드는 신비의 약은 주사 30방이다. 주사약에는 생체공학으로 생산된 물질이 함유됐다. 이 물질은 환자의 심장 근육조직에 새 혈관을 만들어준다.
대부분의 사람은 엠아르엔에이(mRNA) 기술을 코로나19 팬데믹을 종식할 수 있는 성공적 수단인 백신으로 처음 접했다. 독일 마인츠에 본사를 둔 바이오엔테크와 미국 매사추세츠주 케임브리지에 본사가 있는 모더나가 개발해 기록적으로 최단기간에 승인받은 mRNA 방식의 코로나19 백신의 효능은 90%에 이른다. 엄청난 성공이다. mRNA 백신의 기적은 이제 겨우 시작에 불과하다.

코로나19가 불붙인 mRNA 기술
새로운 하이테크 mRNA 의학은 수많은 중증질환을 치료할 잠재력이 있다. 에이즈, 독감, 결핵, 암(유방·결장·피부·폐·전립선), 다발성경화증, 류머티즘, 각종 알레르기, 위염, 알츠하이머, 낭포성섬유증, 무릎관절염, 척추디스크 등 온갖 질병에 대해 mRNA 기술을 이용한 치료법이 연구개발 중이다. 연구원들은 오래전부터 mRNA 기반 심장질환 치료제도 실험하고 있다. 임상시험 대상자는 핀란드에서 확보했고, 독일 뮌헨에서도 임상시험 의사들이 준비를 완료했다. 심장병 환자 총 24명이 mRNA 주사를 맞는다. 영국·스웨덴 제약회사 아스트라제네카가 지원한 임상시험은 상당히 진전된 상태로 조만간 완료될 것이다.
우르 샤힌 바이오엔테크 공동설립자는 mRNA 기반 신약들이 향후 몇 년에 걸쳐 순차적으로 상용화할 것이라고 내다본다. “15년 후면 mRNA 기반 의약품이 전체 의약품의 3분의 1이 될 것으로 예상한다.” 그렇게 되면 mRNA 기반 의약품의 규모는 연간 3천억달러(약 350조원)를 넘을 것이다. mRNA 기반 의약품은 의학계 혁명일 뿐만 아니라, 지금까지 환자들이 숙명으로 받아들일 수밖에 없었던 중증질환도 완치할 것이다. mRNA 기반 의약품은 글로벌 제약시장의 판도를 뒤집을 잠재력까지 갖고 있다.
mRNA 기술에 환호하는 것은 의학계만이 아니다. 선구적인 아이디어를 가진 바이오테크 스타트업과 막강한 자금력을 갖춘 거대 제약업체 중 누가 mRNA 기술의 최종 수혜자가 될지 기업과 투자자들 역시 지대한 관심을 갖고 지켜보고 있다. mRNA 기술의 잠재력에 대해 오랫동안 업계 전문가들도 과소평가했다. 그래서 mRNA 기술 신봉자들은 연구개발 비용을 마련하기 위해 투자자에게 손을 내밀어야 했다.
그러던 중 코로나19 팬데믹이 전 지구를 강타해 mRNA 기술의 시험대가 됐다. 바이오엔테크와 모더나가 이룬 백신의 성공은 mRNA 기술의 판도를 일거에 바꿔놓았다. 두 바이오테크 스타트업은 mRNA 기술이 실제로 통한다는 것을 전세계에 보여줬다. 바이오엔테크는 ‘블록버스터급’ 백신을 자체 개발해 미국 제약업체 화이자와 함께 임상시험을 거쳐 출시했다. 바이오엔테크와 화이자는 2021년 말까지 최소 백신 25억 회분을 생산해 수익을 배분할 계획이다.
이에 따라 전체 제약업계는 엄청난 역동성을 얻었다. 일본 제약업체 다케다는 미국 생명공학기업 애니마바이오텍(Anima Biotech)과 제휴하기 위해 1억2천만달러(약 1400억원)를 투자한다. 프랑스 제약업체 사노피는 미국 mRNA 전문기업 타이달테라퓨틱스(Tidal Therapeutics)를 4700만달러(약 549억원)에 인수했다. 독일 화학업체 에보닉인더스트리스(Evonik Industries) 연구원들은 미국 스탠퍼드대학 연구원들과 협업하는 것을 계획하고 있다.
미국 오리건주립대학의 애널리스트 가우라프 사하이는 “바이오테크 업계는 환희의 쓰나미에 휩싸여 있다”고 표현한다. 그는 스타트업과 벤처투자가를 대상으로 컨설팅하고 있다. “mRNA 기술은 인류가 질병을 이해하고 치료하는 방식을 완전히 바꿔놓을 것이다.”

▲ 바이오엔테크는 15년 뒤면 mRNA 기반 의약품이 전체의약품에서 3분의 1을 차지할 것으로 예상한다. 한 노인이 2021년 8월11일 칠레 발파라이소에서 바이온엔테크가 개발한 백신을 맞기 위해 기다리고 있다. REUTERS

mRNA 선구자들이 걸어온 가시밭길
과거 수많은 생물학자의 관심사는 세포핵의 유전물질, 즉 디엔에이(DNA)였다. 사람이 섭취한 단백질은 인체에서 아미노산으로 분해돼 DNA라는 ‘설계도’를 바탕으로 연결돼 단백질이 완성된다. DNA 설계도가 실행되려면 일단 ‘청사진’에 해당하는 mRNA가 만들어져야 한다. mRNA는 전령(messenger)처럼 복사된 설계도를 세포(핵)에서 단백질이 조립되는 위치(리보솜)로 옮긴다. 그래서 ‘메신저 RNA’를 의미하는 mRNA라고 한다.
mRNA 분자는 불안정하고 쉽게 파괴되는 성질이 있다. 실험실에서는 그럴 위험이 더욱 크다. mRNA 분자는 주사로 인체에 주입하는 순간에도 파괴된다. 면역체계는 외부 mRNA 분자가 바이러스나 여타 병을 유발하는 미생물 가운데 하나라고 진화 과정에서 배웠기 때문에, 어찌 보면 당연한 귀결이다. 면역체계는 곧바로 mRNA 분자를 퇴치하고 분해한다.
이 때문에 mRNA는 오랫동안 치료 목적으로는 적합하지 않다고 여겨졌다. 그런데도 mRNA를 질병 치료 수단으로 검토해온 극소수의 연구원이 있었다. 실험실에서 원하는 단백질을 만들기 위해 특정 mRNA를 합성하는 것이 기술적으로 가능할까? mRNA를 세포에 이식하는 것이 가능할까? 이렇게 하면 세포가 원하는 단백질을 대량 생성할 것인가? 이런 물음에 끈질기게 답을 찾아헤맸던 연구원이다. 이들은 치유 능력을 갖춘 단백질을 생성하도록 세포를 프로그래밍해 암치료제와 백신 등에 투입하리라는 희망의 끈을 놓지 않았다.
미국 유전학자 존 울프는 1990년 과학전문지 <사이언스>(Science)에 이러한 모든 것이 실제 이뤄질 수 있다는 내용을 기고했다. 존 울프 연구팀은 실험용 쥐의 골격근에 유전물질을 포함한 특정 mRNA를 주입한 결과 체내에서 단백질이 형성되는 것을 확인했다. 하지만 이후 존 울프는 더 흥미롭다고 판단한 연구로 옮겨갔다. 그로부터 3년 뒤 프랑스의 한 연구팀이 존 울프 연구팀과 유사한 결과를 발표했지만, 마찬가지로 도중에 mRNA 연구를 중단했다.
독일 튀빙겐대학 생물학과 박사과정이던 잉마어 회어는 이들과 달리 mRNA 연구를 포기하지 않았다. 회어는 여러 실험에서 쥐들에게 특정 mRNA를 주입했다. 그랬더니 mRNA가 어느 정도 세포에서 살아 있었으며, 기대한 대로 단백질을 생성해냈다. “나는 mRNA의 잠재력을 최초로 확신했던 사람이다.” 회어는 2000년 실험실 동료들과 mRNA 제품을 의약품으로 생산하는 기업인 큐어백을 창업했다. 큐어백(CureVac)은 영어 단어 ‘Cure’(치유하다)와 ‘Vaccine’(백신)의 합성어로 ‘백신으로 치유한다’는 뜻이다.
잉마어 회어와 공동창업자들은 독일 바덴뷔르템베르크주의 ‘젊은 혁신가들 프로그램’을 통해 외부 지원을 받았지만 mRNA 의약품을 연구개발 하기에는 턱없이 부족했다. 큐어백은 바이오테크 리스크가 크다는 이미지 때문에 투자자를 찾는 데 애먹었다. “벤처투자가들은 끔찍했다. 한번은 미팅 중에 한 컨설턴트가 가방을 챙겨 그대로 나가버렸다. 그런 무례함은 처음 경험했다.” 한 투자자는 이미 집행한 투자금을 돌려달라고 요구했다. 다행히 튀빙겐 지역 저축은행이 큐어백에 대출해줬다.
이즈음 두 대형 투자자가 독일의 바이오테크 스타트업에 투자를 결정한다. 이 중 한 명은 독일의 다국적 소프트웨어 기업인 에스에이피(SAP)의 공동창업자이자 억만장자 디트마어 호프였다. 2006년 큐어백에 2200만유로(약 300억원)를 투자한 호프는 이후 수천만유로를 추가 투자했고, 지금까지 큐어백 지분의 50% 정도를 보유하고 있다. 큐어백 백신 후보물질의 효용성이 47%에 불과하다는 보도 뒤 큐어백 주가는 일시적으로 50% 급락했다. 큐어백 사례는 mRNA 비즈니스가 얼마나 리스크가 큰지를 여실히 보여준다.
바이오테크 업계에 관심 가졌던 또 다른 투자자들은 쌍둥이 형제인 안드레아스와 토마스 슈트륑만이다. 슈트륑만 형제는 기존 성분을 복제하는 제네릭 전문회사 헥살(Hexal)을 설립했다. 두 형제는 헥살 보유 지분을 스위스계 제약회사 노바티스(Novartis)에 매각해 56억유로(약 7조5400억원) 이상의 엄청난 이익을 거두었다. 이제 슈트륑만 형제는 바이오엔테크 투자로 자신들이 단순 제네릭 전문업체 이상에 관심 갖고 있음을 보여줬다.

대형 투자자 슈트륑만 형제의 선택
토마스 슈트륑만은 2008년 10월 독일 비즈니스 매체 <매니저 매거진>과의 인터뷰에서 “우리는 혁신적 의약품의 개발에서 출시까지 추진할 엄청난 기동력을 갖고 있다”고 말한 바 있다. 안드레아스 슈트륑만은 “환자의 생명을 연장해줄 뿐만 아니라 종양을 극복하는 암치료 성분을 개발하는 기동력까지 갖추었다”고 덧붙였다.
그렇게 슈트륑만 형제는 외즐렘 튀레지와 우르 샤힌이 공동설립한 바이오엔테크를 선택했다. 두 공동설립자는 터키 이민자의 자녀로 의학을 전공했다. 두 사람은 자를란트주 홈부르크대학병원에서 알게 됐고 결혼에 이르렀다. 둘은 mRNA 기술을 이용한 완전히 새로운 암치료제 개발에 매진했다. 슈트룅만 형제는 이에 깊은 인상을 받았고, 바이오엔테크에 오랜 기간 총 2억유로(약 2700억원)를 투자했다.
슈트륑만 형제의 투자 덕택에 바이오엔테크는 mRNA 의약품 연구에 전념할 수 있었다. 바이오엔테크는 mRNA 양 끝을 모두 변형·가공해 더 오래 지속하게 만들었다. 또한 아주 얇은 지질막으로 mRNA를 감쌌는데 이를 통해 mRNA는 주입 뒤 인체 세포에 더 안전하게 도달할 수 있게 된다. 하지만 mRNA가 인체 면역체계의 거센 공격을 받지 않으려면 어떻게 해야 할까?
이 지점에서 미국 필라델피아 펜실베이니아대학의 커털린 커리코 생화학자가 등장한다. 커리코는 뇌졸중 치료제 개발에 mRNA 기술을 활용하기로 결정했다. 하지만 커리코는 이 결정으로 의약계에서 아웃사이더가 돼버렸다. “아무도 mRNA에 관심 갖지 않던 시절이었다. 나는 연구비도 지원받지 못했다.” 약속받은 교수 승진은 철회됐고 단순 연구원으로서 계약만 유지할 수 있었다. “그래도 내가 대학에 남겠다고 하자 대학 관계자들은 놀라는 눈치였다.”
커리코는 굴하지 않고 파트너를 찾아헤맸다. 어느 날 복사기 앞에서 면역학자 드류 바이스만과 우연히 이야기했는데 그로부터 협력을 약속받았다.
커리코와 바이스만은 함께 mRNA 수수께끼를 풀었다. 바로 RNA의 4가지 뉴클레오사이드 중 하나인 유리딘(uridine)이 mRNA에서 과도한 면역반응을 유발한다는 사실을 밝혀낸 것이다. 커리코와 바이스만은 유리딘을 ‘메틸수도유리딘’으로 대체했고, 이후 동물실험에서 mRNA는 더는 수용체로부터 거부당하지 않았다. (커리코가 현재 몸담은) 바이오엔테크와 모더나는 이를 토대로 mRNA 연구를 이어나갔다.
한편, 큐어백은 의도적으로 다른 변형을 선택한다. 큐어백은 mRNA가 안정적으로 유지되도록 구아노신 뉴클레오타이드(Guanosine Nucleotide)와 시티딘을 더 많이 활용했다. 당시는 승인받은 mRNA 의약품이 하나도 없던 상황이었다. 그리고 이때 코로나바이러스가 세계를 느닷없이 덮쳤다. 2020년 1월 코로나바이러스의 유전자가 해독되자, 바이오테크 기업들은 코로나바이러스 단백질의 설계도를 암호화하는 mRNA를 만들어냈다. 해당 mRNA를 인체에 주입하자 인체는 자체 면역체계가 ‘낯설다’고 인지한 mRNA를 대량 만들어냈으며, 바이러스에 대한 면역 기억을 형성했다. 바이오엔테크와 모더나는 결국 코로나 백신을 기록적인 최단시간에 만들어내는 데 성공했다. 반면 큐어백은 아직 백신 승인을 받지 못했다. 큐어백은 잘못된 mRNA 변이를 선택함에 따라 코로나19 백신 경쟁에서 탈락했다.

불치의 감염병에 대항할 신무기
전통적 백신은 기존 생균이나 사균을 몸에 투여한 뒤 해당 세균과 싸워 이기도록 연습시켜 항체를 형성하는 방식이다. 이 방식은 에이즈나 뎅기열 등의 감염병에는 아무런 힘을 쓸 수 없다. 말라리아 치료제의 연구개발은 여전히 더디기만 하다. 열대·아열대 지역에서 유행하는 말라리아는 학질모기가 전파하는 기생충에 의해 유발된다. 기생충은 인체의 면역체계를 억압하는 특정 단백질(PMIF)을 생성한다. 그래서 인간은 말라리아에서 회복한 뒤에도 저항력을 갖지 못하고 말라리아에 재감염될 수 있다. 전세계에서 연간 40만 명이 말라리아로 사망하며 그중 대다수는 어린이다.
미국 예일대학 의과대학 리처드 뷰칼라 교수는 PMIF 단백질에 대항하는 mRNA 백신을 연구하는데, 얼마 전 쥐 실험에서 말라리아를 완치하는 데 성공했다. 그의 연구는 오랫동안 인정받지 못했는데, 이제는 전세계 대표적인 말라리아 학자들이 mRNA 치료제 연구에 뛰어들고 있다. 영국 옥스퍼드대학 말라리아 연구원들도 임상연구보고서에서 mRNA 백신을 검토할 예정이다. 뷰칼라 교수는 말라리아 mRNA 치료제의 최초 임상시험은 2년 뒤에 시작할 수 있다고 말한다. 그는 자신의 연구가 드디어 진지하게 받아들여지는 것에 안도의 한숨을 내쉰다. “현재 당국은 mRNA를 사용 가능한 백신 기술로 인정하고 있다. mRNA 백신은 전세계 수많은 질병을 퇴치할 수 있다.”
바이오엔테크는 빌&멀린다 게이츠 재단의 지원을 받아 에이즈·결핵 백신을 개발할 계획이다. 결핵으로 인한 연간 전세계 사망자 수는 150만 명에 이른다. 모더나는 조만간 거대세포 바이러스 3상실험에 들어갈 계획이다. 임신 중 거대세포 바이러스 감염은 태아에 심각한 장애를 유발할 수 있다. mRNA 기술은 전세계에서 연간 최대 65만 명의 목숨을 앗아가는 계절성 독감 치료제 개발에도 도움이 될 수 있다. 인플루엔자바이러스 백신은 지금까지 달걀 약 5억 개에서 배양되고 수개월에 걸친 프로세스를 통해 가공됐다. 하지만 독감 바이러스는 끊임없이 변이가 나온다. 그래서 독감 백신이 항상 100% 보호해주지 못하는 것이다.

모든 독감에 효과 있는 백신도 연구 중
미국 뉴욕에 있는 마운트시나이 아이칸 의과대학의 오스트리아 출신 연구원 3명은 면역체계를 도와서 다양한 위치에서 인플루엔자 변이를 동시에 공격할 수 있는 새로운 mRNA 백신 후보물질을 개발했다. 백신을 접종한 쥐들은 실험에서 치사량의 500배가 넘는 바이러스양에 노출됐는데도 신종인플루엔자바이러스(H1N1)에 면역을 가졌다. 연구원들은 대표적인 두 인플루엔자 변이에 해당 실험을 반복할 계획이다. 결과적으로 잘 알려진 모든 인플루엔자 변이에 면역력을 갖춘 백신을 개발할 수도 있다. 그렇다면 오랫동안 찾아헤맸던 보편적인 독감 백신이 태어나는 것이다.

ⓒ Der Spiegel 2021년 제25호
Die Medizin von morgen
번역 김태영 위원