바이오인

논문/저널/저자

1. Astersaponin I from Aster koraiensis is a natural viral fusion blocker that inhibits the infection of SARS-CoV-2 variants and syncytium formation / Antiviral Research (2022.10) Tai Young Kim* , Ji-Young Kim* , Hak Cheol Kwon, Sangeun Jeon, Sol Ji Lee, Haejin Jung, Seungtaek Kim, Dae Sik Jang, C Justin Lee. 

2. Lancemaside A from Codonopsis lanceolata: studies on antiviral activity and mechanism of action against SARS-CoV-2 and its variants of concern / Antimicrobial Agents Chemotherapy (2022.11) Tai Young Kim* , Sangeun Jeon* , Meehyun Ko, Young Eun Du, So-Ri Son, Dae Sik Jang, Seungtaek Kim, C Justin Lee. 

3. Platycodin D, a natural component of Platycodon grandiflorum, prevents both lysosome- and TMPRSS2-driven SARS-CoV-2 infection by hindering membrane fusion / Experimental & Molecular Medicine (2021.05) Tai Young Kim, Sangeun Jeon, Youngho Jang, Lizaveta Gotina , Joungha Won, Yeon Ha Ju, Sunpil Kim, Minwoo Wendy Jang, Woojin Won, Mingu Gordon Park, Ae Nim Pae, Sunkyu Han, Seungtaek Kim, C Justin Lee. 

4. Synthesis and structure-activity relationship study of saponin-based membrane fusion inhibitors against SARS-CoV-2 / Bioorganic Chemistry (2022.10) Youngho Jang* , Tai Young Kim* , Sangeun Jeon, Hyeonggeun Lim, Jin Ah Lee, Seungtaek Kim, C Justin Lee, Sunkyu Han.

연구내용 보충설명

코로나19 팬데믹이 선언된 이후 천연물에서 코로나 치료약물을 찾으려는 노력은 전 세계적으로 현재까지도 계속되고 있다. 역사적으로 아스피린, 페니실린 등은 천연물에서 유래한 약물이며, 지난 40년동안 FDA에 승인된 1394개의 저분자 신약 중에서 천연물 또는 천연물 유도체가 차지하는 비중은 33%를 상회한다. 

천연물질의 구조를 모방하였거나 천연물질의 pharmacophore를 이용한 것을 포함하면 그 비중은 더욱 높아져 천연물 관련 신약의 비중이 66% 이상을 차지하고 있다. 본 연구진은 일련의 연구를 통해 우리 고유 자생식물인 벌개미취와 우리나라 전역에서 자라는 더덕, 도라지에서 코로나바이러스의 세포감염(세포 내 진입)을 막는 물질을 발견했다. 

각각 아스터사포닌 I, 란세마사이드 A, 플라티코딘 D라고하는 사포닌들이 코로나바이러스 세포감염을 억제함을 확인했다. 이 물질들의 세포감염 억제 활성도(IC50: 1~2 μM)는 기존에 보고된 다른 천연물질과 비교해도매우 우수했다. 또한, 아스터사포닌 I과 란세마사이드 A는 변이바이러스(알파, 베타, 델타, 오미크론)의 감염을 초기 코로나바이러스에 대한 감염 억제 활성과 거의 동일한 효율로 억제하는 것을 관찰했다. 

흥미롭게도 서로 다른 식물에서 추출한 3종의 물질은 모두 한쪽에 당이 4-5개 붙어 있는 ‘트라이터페노이드’ 계열에 속하는 사포닌으로, 연구진은 사포닌에 달려있는 당쇄가 세포막 바깥 쪽에 위치하게 되고, 이 부분이 코로나바이러스 외피막과 인체 세포막 간의 막 융합(바이러스가 세포에 침입하기 위해 반드시 거쳐야 하는 단계)를 방해하는 감역 억제 기작을 밝혔다. 

또한, 같은 트라이터페노이드계 사포닌이라도 당의 길이가 짧거나 소수성 잔기가 붙어 있으면 감염 억제 활성이 없거나 현저히 떨어지는 것도 확인했다. 연 구 추 가 설 명 코로나바이러스는 엔도좀 또는 세포표면의 형질막을 거쳐 세포 내에 들어오게 된다. 

코로나바이러스의 세포 내 침입 과정에서 바이러스 표면의 스파이크 단백질이 인체세포 ACE2 수용체와 결합하고, 단백질 분해효소에 의해 절단된다. 이후 바이 러스 외피-세포막 사이의 ‘막 융합’이 일어나 코로나바이러스의 RNA가 세포 내로 유입된다. 

이 두 가지의 감염경로는 동일하게 막 융합 과정이 필요하므로 막 융합 억제 활성을 갖는 물질은 코로나바이러스 세포감염의 2가지의 주된 경로를 모두 막는 수 있다. 이는 한쪽의 감염 경로만 막는 클로로퀸 및 카모스타트 계열의 약물들과 비교해 장점이 있다. 

현재 코로나 팬데믹이 계속되고 있는 이유는 세포감염력이 높은 변이바이러스의 지속적인 출현 때문이다. 오미크론 바이러스로 대표되는 이러한 변이바이러스는 스파이크 단백질에 돌연변이가 발생하여 세포수용체인 ACE2 단백질과의 결합력이 높아져서 세포감염 활성도 증가하게 된다. 

그러나 코로나바이러스 스파이크 단백질과 ACE2의 결합력이 아무리 증가하여도 그 다음단계인 막 융합 과정이 막힌다면 코로나바이러스는 세포 내로 들어올 수 없다. 즉, 막 융합 억제제가 변이 바이 러스의 세포감염을 효과적으로 억제할 수 있는 것이다. 우리는 지난 20년 동안 코로나바이러스에 의한 팬데믹을 3차례 경험했다. 이번 코로나19 팬데믹이 종식된다 할지라도 언제 4번째 팬데믹이 닥칠지 누구도 장담할 수 없다. 

그렇기에 다음 팬데믹에 대한 대비책 마련은 매우 절실하다. 코로나바이 러스를 포함한 외피막 바이러스의 감염은 범용적으로 차단할 수 있는 막 융합 억제제는 미래 팬데믹에 대한 매우 효과적인 대비책이 될 것이다. 본 연구진은 자연물에서 항코로나 바이러스 물질의 찾는 데 그치지 않고, 이 보다 활성이 높은 물질 개발연구도 수행하여 중간산물로 플라티코딘 D보다 2배 활성이 높은 신규물질 합성에 성공했다. 향후 감염 억제 활성이 높은 물질을 개발하기 위해 후속 연구를 지속할 계획이다.

연구 이야기

[연구 과정] 

본 연구단은 코로나19 팬데믹 선언 직후인 2020년 중반부터 코로나 관련 연구를 진행해 오고 있다. 뇌 관련 연구를 수행하는 연구단의 연구주제와는 다소 거리가 있지만, 전 세계가 팬데믹으로 고통 받는 상황에서 생명과학 분야 연구자로서 인류에 도움이 될 수 있는 연구라면 연구주제를 따지지 않겠다는 사명에서 출 발했다. 

또한, 학제간 융합 연구, 공동연구를 지향하며 ‘IBS 생명과학 연구클러 스터‘로 발전·확대된 IBS의 유연한 연구 환경도 코로나 연구를 가능하게 했다. 당시는 코로나 진단방법이 확립되기 전 이어서 “실험실에서 적은 비용과 빠른 시간 안에 가능한 코로나 진단법”을 자체적으로 개발하고, 이 연구결과들을 3편의 논문으로 발표했다. 

이와 동시에 코로나 치료물질 발굴 연구도 병행했다. 연구단은 기존 연구를 통해 도라지에서 추출한 플라티코딘 D 사포닌이 세포 내 ‘라이소솜’과 ‘오토파고좀’ 간의 막 융합을 저해하여 뇌 암세포의 특이적인 세포 사멸효과를 유도한다는 사실을 밝힌 바 있다. 

이를 바탕으로 특정 사포닌의 코로나바이러스 감염 억제 효과를 기대하고 연구를 수행했다. 먼저 생물안전 2등급 연구 시설에서도 실험이 가능한 ‘슈도 코로나바이러스(스스로 복제할 수 없고 코로나바이러스 스파이크 단백질을 바이러스 외피막에 발현하도록 바이러스의 세포진입 단계만 모니터링 할 수 있도록 만든 바이러스)’를 제작했고 이를 이용해 플라티코딘 D 사포닌이 코로나바이러스의 세포감염을 억제하는 활성이 있음을 관찰했다. 

또한 한국 파스퇴르연구소 김승택 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 생물안전 3등급 연구시설에서 살아있는 코로나바이러스를 이용한 실험에서도 동일한 활성을 확인했다. 이를 정리하여 도라지 사포닌 플라티코딘 D가 막 융합 저해 활성으로 코로나바이러스 주요 세포 진입경로를 모두 차단한다는 연구결과를 2021년 5월 “실험분자의학” 국제 학술지에 발표했다. 

이 연구결과 발표 이후 주위의 권유에 따라 더덕으로 연구대상을 확대했고, 더덕을 중탕해 얻은 단순한 추출물에서도 높은 항코로나 활성을 확인할 수 있었다. 하지만 도라지에 비해 더덕에 대한 관련 연구가 부족하고 실험에 필요한 물질을얻는데 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 더덕 및 더덕 추출 화합물에 관한 연구를 수행한 경희대 약대 장대식 교수 연구팀과 공동 연구를 수행하게 됐다. 

공동연구를 통해 더덕뿐만 아니라 우리나라에서 자생하는 다양한 식물(벌개미취, 쑥부쟁이, 참취, 원지, 천문동 등)의 항코로나 활성을 측정하였고 그 가운데 더덕뿌리와 벌개미취 잎 추출물에서 가장 높은 활성이 관찰됐다. 또한 이들 식물에서추출한 수십종 화합물의 스크리닝 결과 더덕의 란세마사이드 A와 벌개미취의 아스터사포닌 I이 유효물질로 확인됐다. 

아스터사포닌 I과 란세마시아드 A가 화학구조상 플라티코딘 D와 유사하여 막 융합저해로 인한 코로나 감염 억제 기작을 예상할 수 있었고, 이를 직접적으로 증명하기 위해 코로나바이러스 스파이크 단백질에 의한 ‘막 융합 모니터링 시스템’을구축했다. 

구축한 3종의 분석법을 통해 아스터사포닌 I과 란세마시아드 A의 ‘막 융합 저해로 인한 코로나바이러스 감염 억제’ 기작을 증명했다. 또한 도라지 플라티코딘 D 연구발표 후 항코로나 활성에 있어 플라티코딘 D에붙어있는 당쇄의 중요성을 알게 되었고, 이 부위를 변형하면 자연에서 얻을 수 있는 천연 사포닌과 비교하여 활성이 더 높은 물질을 얻을 수 있을 것이라 예상해KAIST 화학과 한순규 교수 연구팀과의 공동연구를 수행했다. 

연구결과, 당쇄 부위의 당의 종류와 길이를 달리하여 기존의 플라티코딘 D보다 활성이 2배 높은물질을 합성에 성공했다. 

[어려웠던 점] 

처음 연구를 시작할 때 IBS 내에 생물안전 3등급 연구시설이 없어 살아있는 코로나바이러스를 이용한 실험을 할 수 없었다. 대안으로 슈도 코로나바이러스를 제작, 이를 이용한 스크리닝 시스템을 구축하게 되었고 이후 다양한 천연물 및 화합물의1차 스크리닝 목적으로 매우 유용하게 사용되고 있다. 

이 스크리닝 시스템으로 발굴된 후보물질들은 한국 파스퇴르연구소 김승택 박사 연구팀을 통해 살아있는 코로나바이러스에서 활성을 확인하고 있다. 

하지만 현재 발굴한 유효물질들의 동물실험을 통한 생체 내 활성측정 연구를 수행할 수 있는 국내 연구시설 및 인력이 부족하고, 실험자원에 대한 연구수요가높아 아직 동물실험을 진행하지 못하고 있는 상황이다. 

[성과 차별점] 

막 융합 억제제는 변이 코로나바이러스 및 외피막 바이러스에 범용적으로 적용할수 있어 세계적으로 막 융합 억제물질 개발 연구가 활발히 진행되고 있지만, 천연물에서 발굴한 항바이러스 물질의 가능성을 제시한 연구는 찾아보기 힘들다. 

또한 트라이터페노이드 사포닌을 포함한 사포닌은 다양한 식물에 다량 함유되어있지만 사포닌의 막 융합 억제 활성을 실험적으로 증명한 논문은 없다. 본 연구팀은 3편의 논문을 통해 한쪽에 일정 개수(4개 이상)의 친수성 당으로 구성된 당쇄가 붙어 있는 특정구조의 트라이터페노이드 사포닌이 세포막 안에 끼어 들어가 막 융합 억제 활성을 나타낸다는 사실을 최초로 밝혔다. 

무엇보다 항코로나 천연물 발굴에 그치지 않고, 천연물에서 특정 화학구조의 중요성을 규명하여 화학적으로 변형, 활성이 향상된 신규물질 합성에 성공하였다는것이 성과의 차별점이다. 

[향후 연구계획] 

본 연구에서 발굴한 합성 후보 물질들의 항 코로나 활성을 동물모델을 통해 확인하고, 항바이러스 활성이 더욱 향상된 물질의 개발연구도 지속할 계획이다. 또한 코로나바이러스 뿐만 아니라 인플루엔자 바이러스를 포함하는 다양한 외피막바이러스에 대한 항바이러스 활성을 측정하여 후보 물질들의 범용적 사용가능성을 타진하여 미래 팬데믹에 대비할 물질의 라이브러리를 구축할 계획이다.