4만 개 초미세 실험실서 7분이면 “분석 끝”… 백신 개발 신기원 ‘활짝’

미래 감염병 대비책 찾는 과학자들

덴마크 코펜하겐대 연구팀이 개발한 기술로 백신 후보물질 도출 실험을 진행하고 있다. 덴마크 코펜하겐대 제공

덴마크 코펜하겐대 연구팀은 백신 개발 속도를 획기적으로 끌어올리는 기술을 개발했다고 5일 국제학술지 ‘네이처 화학’에 공개했다. 머리카락 굵기의 10만분의 1 크기에 불과한 초미세 실험실 수만 개를 만들어 각각에 백신 후보 물질을 넣고 대량 분석하는 원리다. 연구를 이끈 니코스 하차키스 화학과 교수는 “백신 개발 속도를 획기적으로 끌어올려 미래 전염병에 신속하게 대응할 수 있는 혁신 기술”이라고 소개했다. 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 사태를 계기로 앞으로의 팬데믹(대유행)에 대응할 기술이 주목받고 있다.

○ 미래의 감염병, 더 빠른 백신 기술 확보가 관건

코펜하겐대 연구팀은 머리카락 굵기 10만분의 1에 불과한 나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 공간을 4만 개 만들었다. 이 공간에 백신 후보 물질들을 각각 넣고 동시에 효능을 분석했다. ‘DNA 나노기술’로 불리는 이 기술은 초미세 공간에서 나노입자의 움직임을 제어하는 기술이다. 전기적으로 양(+)전하를 띤 나노입자를 이용해 음(―)의 성질(음전하)을 띠는 DNA를 끌어당겼다 놨다 하는 원리다. 이 기술을 활용하면 나노미터 크기의 아주 작은 실험실에서 백신 후보물질의 DNA 분자를 조작할 수 있어 다양한 분자를 합성하고 분석할 수 있다. 약 7분이면 4만 개에 대한 분석이 끝난다. 나노 크기의 실험실에서 분석이 이뤄지기 때문에 필요한 재료나 에너지 사용도 크게 줄어 개발 비용도 크게 줄일 수 있다. 연구팀은 인공지능(AI)을 적용해 후보물질 발굴 속도도 더욱 높였다.

코로나19 사태에서 보듯 백신 개발 속도는 중요한 화두로 떠올랐다. 미국 제약사 화이자와 모더나는 새로운 메신저리보핵산(mRNA) 방식을 빠르게 채택해 전 세계 코로나19 백신 시장의 60%를 장악했다. 백신 개발 전체에서 후보물질 발굴은 여전히 가장 많은 시간을 차지하고 있다. 백신 개발은 크게 후보물질 발굴과 동물시험, 임상시험, 허가와 시판 등 네 가지 과정을 거친다.

앞으로의 감염병에 대응할 핵심은 백신 개발 속도에 있다는 분석이 나온다. 미국은 지난해 9월 미래 감염병 대응을 위해 653억 달러(약 75조 원)를 투입하기로 했는데 이 중 약 40%를 백신 기술 개발에 쏟아붓고 있다. 코로나19 사태 이전에는 백신 개발까지 보통 4년이 필요했지만 첫 코로나19 백신 개발에는 326일이 걸렸다.

○ 조기 예측과 진단 기술도 진화 중

과학계와 기업들은 미지의 감염병인 ‘질병X’의 발생을 조기에 파악하는 방법을 찾고 있다. 과학자들은 코로나19를 뛰어넘는 다음 질병이 등장할 것으로 보고 있다. 바이러스나 박테리아, 기생충 등 인간이 감염될 수 있는 병원체 약 1400종 중 하나가 언제든 더 심각한 팬데믹을 일으킬 수 있다는 전망이다. 열대 지방에 아직 발견되지 않은 바이러스가 약 160만 개나 있을 것이란 연구 결과도 있다.

산림 개간 같은 인간 개발 활동으로 야생동물과 인간의 접점이 늘어나면서 실제 감염병의 발생 주기도 점점 짧아지고 있다. 미국 국립보건원(NIH)에 따르면 코로나19 이전 지난 반세기 동안 매년 평균 1, 2개씩 새로운 전염성 바이러스가 발견돼 확산됐고, 최근에는 연평균 3건으로 늘었다.

캐나다 스타트업 블루닷은 뉴스 보도와 각국 여행기의 비행 패턴, 정부 보고서 등의 데이터를 분석하는 AI 알고리즘이 감염병 발발 신호를 포착하는 기술을 개발했다. 이 회사는 2019년 미국 질병통제예방센터(CDC)와 세계보건기구(WHO)보다 앞서 코로나19 발병을 감지했다. 블루닷은 최근에는 비식별화된 개인 의료정보와 같은 데이터를 결합해 더 강력한 감시 체계를 구축했다. 미국 헬스케어 기업 애보트도 이런 기술이 결합된 국제공동 조기경보 시스템을 지난해 3월 구축했다. 유전자 분석 데이터를 기반으로 새로운 변이 발생도 파악할 수 있다.

진단 기술의 진보도 일어나고 있다. 기존보다 더 적은 시료로도 더 빠르게 검출결과를 도출하는 기술이나 유전자 편집 기술인 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9)를 이용한 진단 기술 등이 개발돼 의료 현장에서 활용되고 있다.