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나노바디, 코로나19 치료제로서의 새로운 활용 가능성 및 전략 제시

 ◇ 국제 연구팀, 코로나19 바이러스의 돌기 단백질(spike protein)을 표적으로 항원 중화도가 100배 이상 향상된 4종의 중화 나노바디 단백질 연결체 개발에 성공. 향후 코로나19 치료제로서 가능성 기대

▸주요 출처 : Science, ‘Structure-guided multivalent nanobodies block SARS-CoV-2 infection and suppress mutational escape’, 2021.01.

□ 전 세계적으로 다양한 방식의 코로나19 대응을 위한 시도가 추진 중

○ 최근 mRNA·재조합 단백질·바이러스 벡터 등 다양한 종류의 코로나19 백신의 성공적인 개발 소식이 보고 

○ 하지만 이와는 별도로 코로나19에 감염된 환자 치료 및 백신 효과가 제한적인 低면역력의 잠재적 위험군의 감염 및 증상 악화 차단을 위해서는 효과적인 코로나19 치료제 개발이 필수

- 이러한 목적에서 바이러스 병원성 단백질을 무력화시키는 ‘중화 항체’의 장점은 유지하면서 생산의 어려움, 비싼 가격 등의 단점을 극복할 수 있는 새로운 전략으로서 ‘나노바디(Nanobody)’ 주목 

나노바디 개요

 나노바디(Nanobody)는 낙타과 동물(낙타, 라마, 알파카)에서 발견되는 단일 사슬 항체의 항원 인식 가변 부위(variable region)를 분리하여 제조

 나노바디(~14kDa, 단일 도메인)는 일반적인 항체(~150 kDa, 12개 도메인)에 비해 구조가 단순하고 크기가 작아서 구조적 안정성이 높고 정제와 생산이 용이

 또한 온도, 산성도 등 환경 요인에 대하여 저항성이 강하며 단백질 엔지니어링을 통한 구조적, 기능적 변환 역시 상대적으로 용이하여 의학 및 산업적으로 높은 잠재적 활용성을 보유

   출처 :Progess in Biomedical Engineering, ‘The magic bullet as cancer therapeutic-has nanotechnology failed to find its mark?’ 2020.09   

□ 이러한 장점을 활용하여 코로나19 바이러스 단백질을 표적으로 하는 ‘새로운 중화 나노바디’ 개발 

○ 독일 본 대학, 스웨덴 카롤린스카 연구소, 미국 일리노이 대학 연구팀이 참여한 다국적 연구팀은 코로나19 바이러스의 스파이크 단백질을 표적으로 하는 4종*의 중화 나노바디를 발굴하는데 성공

- 라마와 알파카에 코로나19 바이러스의 스파이크 단백질(spike protein)의 수용체 결합 도메인(receptor-binding domain, RBD)을 주입하여 면역반응을 통해 나노바디 형성  

* VHH E, VHH U, VHH V, VHH W

○ 또한, X-선 결정학 기법 및 극저온 전자 현미경(cryo-EM)을 통해 코로나19 바이러스 RBD, 스파이크 단백질과 중화 나노바디가 결합한 복합체 3차 구조를 규명하였으며, 

- 중화 나노바디가 바이러스 단백질이 실제 표적인 인간 수용체 단백질과 결합하는 것을 경쟁적으로 방해한다는 것을 확인

< 바이러스의 수용체 결합 도메인(RBD)이 나노바디와 결합한 복합체 3차 구조(X-선) >

< 바이러스의 스파이크 단백질이 나노바디와 결합한 복합체 3차 구조(cryo-EM) >

출처 : Science, ‘Structure-guided multivalent nanobodies block SARS-CoV-2 infection and suppress mutational escape’, 2021.01.

※ X-선 결정학 : 단백질 분자가 규칙적으로 배치된 단백질 결정에 X-선을 조사하여 나타나는 회절(diffraction) 현상을 이용하여 3차 구조를 분석. 지금까지 규명된 단백질 3차 구조의 90% 이상을 규명한 가장 보편적이고 널리 사용되는 방법이나, 3차 구조 규명을 위해서는 반드시 단백질 결정을 만들어야 한다는 단점이 있음 

※ 극저온 전자현미경(cryo-EM) : 단백질 결정 없이 수용액 내 정제 단백질의 3차 구조를 볼 수 있다는 장점이 있으며, 2013년을 기점으로 해상도가 급격히 좋아지면서 새로운 단백질 3차 구조 규명 기법으로 크게 각광 받고 있음. 다만 아직까지 해상도 면에서 X-선 결정학에 미치지 못하며, 규명 가능한 단백질 크기의 하한선이 존재(최소 80 kDa 이상, 보편적으로는 300 kDa 이상)

□ 연구팀은 나노바디의 연결체 제작을 통한 중화 효과의 극대화를 확인

○ 연구팀은 두 종류의 나노바디를 연결하여 결합력을 9~22배, 중화력을 63~119배 증가시킨 이중 나노바디 연결체를 제작하였으며, 

- 나노바디 연결체는 바이러스 스파이크 단백질의 구조 변환을 차단하여 수용체 단백질과의 결합 및 바이러스 칩입을 억제함을 확인

- 코로나19 바이러스 스파이크 단백질을 조기 활성화(premature activation) 상태로 만드는데, 이는 바이러스가 인체세포 칩입에 필수적인 스파이크 단백질의 정상적인 단계적 구조 변환을 차단 

○ 또한 항원 인식기가 다른 나노바디/항체를 연결하는 것이 바이러스 중화 효과를 월등하게 향상시키는 새로운 전략임을 입증

영국 연구팀, ‘인공 나노바디’로 코로나19 치료 효과 입증

 영국 옥스퍼드, 레딩 대학, 다이아몬드 방사광 가속기 연구소 등이 참여한 공동 연구팀은 코로나19 바이러스의 스파이크 단백질을 표적하는 나노바디를 제작

- 연구팀은 코로나19에 감염된 라마의 회복기 혈청에서 효과적인 항체를 발굴하였으며 이를 기반으로 나노바디를 제작

 H11-D4, H11-H4로 이름 붙인 2종의 나노바디가 바이러스 스파이크 단백질의 RBD와 결합하여 인간 ACE2 수용체 단백질과의 결합을 차단하는 것이 확인

- 옥스퍼드 대학의 레이 오웬스(Ray Owens) 교수는 “오래지 않아 코로나19 환자를 위한 초기 치료제가 등장할 것”으로 전망

* 주요 출처 : Nature Structural & Molecular Biology, ‘Neutralizing nanobodies bind SARS-CoV-2 spike RBD and block interaction with ACE2’, 2020.07; The Science Times, ‘인공 나노바디’로 코로나19 치료‘, 2020.07