바이오인

단백질 구조예측 및 디자인

◈ 목차

⑴ 개요
⑵ 기술 동향
⑶ 산업 동향
⑷ 정책 동향
⑸ R&D 투자 동향
⑹ 결론

◈본문

제1장 개요

1.1 작성 배경

■︎ 바이오 기술의 발전에 따라 등장한 바이오의약품은 생물 유래 물질을 이용한다는 장점을 바탕으로 제약시장을 주도하고 있으며, 그중에서도 단백질이 전체 바이오 의약품 중에서도 큰 비중을 차지하는 추세

◎︎ 바이오의약품은 생물 유래 물질을 이용하므로 독성이나 부작용이 적고, 희귀･난치성 만성 질환의 치료에 쓰일 수 있으며, 환자에 따른 맞춤형 치료 역시 가능하다는 장점이 있어 제약시장에서 차지하는 비중이 점차 높아지고 있음

(출처: 한국바이오의약품협회(2022), 바이오의약품 산업동향 보고서)

<그림 1> 글로벌 전체 의약품 중 바이오의약품 비중 변화

◎︎ 바이오의약품(규정상 명칭은 ‘생물의약품’)은 생명체에서 유래한 것을 원료 또는 재료로 제조한 의약품으로서 생물학적 제제, 유전자재조합의약품, 세포배양의약품, 유전자치료제, 세포치료제 등을 포함하며, 이중 상당수가 단백질로 구성됨

- 단백질은 생명 활동에 필요한 에너지를 제공하는 영양소 중 하나이자 근육, 피부, 털과 같이 신체를 구성하는 조직의 주요 성분이며, 생명체 내에서 일어나는 화학반응의 촉매, 신호전달 및 면역반응 등에서도 중요한 역할을 수행

(출처: PDB 1OBB, KOSEN, 스크립스코리아 항체연구원 홈페이지)

<그림 2> 여러 단백질의 모사도

- 바이오의약품의 여러 종류 중 생물학적 제제, 유전자재조합의약품, 세포배양의약품 등에 이러한 단백질이 포함되어 있거나 주성분으로 작용하고 있어, 단백질은 바이오의약품을 구성하는 주요 성분 중 하나로 볼 수 있음

◎︎ 글로벌 10대 의약품 중 단백질에 해당하는 의약품이 5개에 이르고, mRNA 백신인 2개 의약품 역시 체내에서 단백질을 생산하도록 하여 면역반응을 유도한다는 점에서 단백질 관련 치료제가 바이오의약품 시장을 주도한다고 볼 수 있음

<표 1> 글로벌 10대 의약품 및 단백질 여부

 (출처: 한국바이오의약품협회, 2022)

■︎ 단백질은 생체 내에서 3차원 구조에 따라 타겟 분자와 상호작용하여 기능을 나타내므로, 해당 구조를 파악 또는 예측하거나 디자인하는 것이 바이오의약품과 같은 신약 개발 등의 분야에서 중요한 가치를 가짐

◎︎ 단백질은 20가지 아미노산의 1차원 서열에 따라 3차원으로 접혀(folding) 고유의 구조를 형성하는데, 생체 내 단백질의 기능은 3차원 구조가 서로 작용하여 결합함으로써 복합체를 생성하는 것에서 비롯하며, 단백질 의약품의 약효 역시 타겟 분자와의 결합에서 대부분 발생

- 에이즈 치료제 개발 과정에서 원인 바이러스인 HIV의 단백질 분해 효소의 구조를 분석하고 결합할 수 있는 구조를 가진 신약을 개발하는 방식을 사용하였고, 만성 골수성 백혈병 치료제인 글리벡 역시 3차원 구조를 연구하여 개발에 성공

- 항체의약품은 항원과 상호작용하는 부분인 Antigen-binding Site의 구조와 항원의 구조가 서로 맞물려 결합함으로써 항체의 효과를 나타냄

(출처: Vardaxi A et al.(2022), Polymeric Nanostructures Containing Proteins and Peptides for PharmaceuticalApplications, Polymers, 14, 777)

<그림 3> 단백질의 아미노산 서열부터 복합체 형성까지의 모식도

◎︎ 따라서 바이오의약품, 특히 단백질 의약품을 개발하기 위해서는 단백질의 구조를 예측하거나 필요한 기능을 발휘할 수 있는 구조의 단백질을 디자인할 수 있어야 하며, 이는 신약개발의 성공 가능성을 높이는 중요한 요인임

- 기존 합성의약품과 같이 바이오의약품 역시 개발에 시간과 비용이 많이 필요한데, 상당 수의 시간과 비용 소모는 후보물질 발굴 단계 또는 충분한 약효를 증명하지 못하거나 예상하지 못한 부작용이 발생하는 것과 같은 임상시험의 실패에서 비롯됨

-단백질의 구조를 예측 또는 디자인함으로써 대상으로 하는 질병 또는 타겟 물질과의 결합능을 높이면서 동시에 다른 물질과의 결합은 막을 수 있는 단백질을 만들 수 있다면, 신약 개발에 걸리는 기간과 비용을 크게 줄일 수 있음

■︎ 동 브리프에서는 첨단 바이오 분야 중 하나인 단백질 구조예측 및 디자인 기술과 관련한 국내외 동향을 분석하여 국내 단백질 구조예측 및 디자인 R&D에 대한 시사점을 도출하고자 함

...................(계속)

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