DNA 분자를 기반으로 한 복잡한 합성 백신이 만들어졌습니다.

애리조나 주립 대학의 바이오디자인 연구소 과학자들은 더 안전하고 효과적인 백신을 만드는 방법을 찾기 위해 DNA 나노기술이라는 유망한 분야를 연구해 완전히 새로운 유형의 합성 백신을 개발했습니다.

최근 Nano Letters 저널에 게재된 연구에서, 생체공학 연구소의 면역학자 Yung Chang은 유명한 DNA 나노기술자인 Hao Yan을 포함한 동료들과 협력하여 자가 조립되는 3차원 DNA 나노구조에 배치되어 목표 부위에 안전하고 효율적으로 전달될 수 있는 세계 최초의 백신 복합체를 합성했습니다.

"하오가 DNA를 유전 물질이 아닌 작동 플랫폼으로 생각하자고 제안했을 때, 저는 이 접근법을 면역학에 적용해 보자는 생각을 했습니다."라고 생명과학부 부교수이자 생명공학연구소 감염성 질환 및 백신 센터 연구원인 창은 말합니다. "이는 DNA 운반체를 사용하여 합성 백신을 개발할 수 있는 좋은 기회가 될 것입니다."

"가장 중요한 질문은 '안전한가?'였습니다. 우리는 체내에서 안전하고 강력한 면역 반응을 유발할 수 있는 분자 그룹을 만들고 싶었습니다. 하오의 팀은 지난 몇 년간 다양한 DNA 나노구조를 설계해 왔기 때문에, 이러한 구조의 잠재적인 의학적 응용 분야를 찾기 위해 협력을 시작했습니다."

애리조나 과학자들이 제안한 방법의 독특한 점은 항원 운반체가 DNA 분자라는 점입니다.

다학제 연구팀에는 애리조나 대학교 생화학 대학원생이자 논문의 제1저자인 샤오웨이 류, 양 쉬 교수, 생화학 강사 얀 류, 생명과학부 학생인 크레이그 클리포드, 중국 쓰촨 대학교 대학원생인 타오 위가 포함되었습니다.

창은 백신 접종의 광범위한 도입이 공중 보건에 있어 가장 중요한 성과 중 하나를 가져왔다고 지적합니다. 백신 개발 기술은 유전 공학을 활용하여 면역 체계를 자극하는 단백질로부터 바이러스 유사 입자를 생성합니다. 이러한 입자는 실제 바이러스와 구조가 유사하지만, 질병을 유발하는 위험한 유전적 요소는 포함하지 않습니다.

생체 분자에 2차원 또는 3차원 모양을 부여할 수 있는 DNA 나노기술의 중요한 장점은 매우 정밀한 방법을 사용하여 신체 내 자연 분자의 일반적인 기능을 수행할 수 있는 분자를 생성할 수 있다는 것입니다.

"다양한 크기와 모양의 DNA 나노구조를 실험하고, 생체분자를 첨가하여 신체가 어떻게 반응하는지 살펴보았습니다."라고 생명공학연구소(Institute of Bioengineering)의 화학 및 생화학과장이자 단일 분자 생물물리학 센터 연구원인 양 교수는 설명합니다. 과학자들이 "생체모방"이라고 부르는 접근법을 통해, 그들이 시험한 백신 복합체는 자연 바이러스 입자의 크기와 모양을 모방했습니다.

연구진은 이 개념의 실현 가능성을 입증하기 위해 면역 자극 단백질인 스트렙타비딘(STV)과 면역 증강 약물인 CpG 올리고디옥시뉴클레오타이드를 분리된 피라미드형 분지 DNA 구조에 부착했고, 이를 통해 최종적으로 합성 백신 복합체를 얻을 수 있었습니다.

연구팀은 먼저 표적 세포가 나노 구조를 흡수할 수 있는지 증명해야 했습니다. 나노 구조에 발광 태그 분자를 부착함으로써, 과학자들은 나노 구조가 세포 내에서 적절한 위치를 찾아 몇 시간 동안 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었습니다. 이는 면역 반응을 유발하기에 충분한 시간이었습니다.

그런 다음, 쥐를 대상으로 한 실험에서 과학자들은 백신 "페이로드(payload)"를 신체 면역 반응 사슬의 첫 번째 연결 고리인 세포에 전달하여 대식세포, 수지상 세포, B 세포를 포함한 항원 제시 세포와 같은 다양한 구성 요소 간의 상호작용을 조절하는 연구를 수행했습니다. 나노 구조가 세포에 침투하면 세포 표면에 "분석"되고 "표시"되어 신체의 방어 반응을 유발하는 데 중추적인 역할을 하는 백혈구인 T 세포가 인식할 수 있도록 합니다. T 세포는 B 세포가 외부 항원에 대한 항체를 생성하도록 돕습니다.

모든 변종을 확실하게 테스트하기 위해 연구진은 STV 항원과 CpG 증강제를 섞은 것뿐만 아니라 전체 백신 복합체와 STV 항원을 세포에 주입했습니다.

70일 후, 과학자들은 전체 백신 복합체로 면역된 쥐가 CpG/STV 혼합물로 유도된 것보다 9배 더 강력한 면역 반응을 보였다는 것을 발견했습니다. 가장 두드러진 반응은 사면체(피라미드) 구조에 의해 시작되었습니다. 그러나 백신 복합체에 대한 면역 반응은 특이적(즉, 실험자가 사용한 특정 항원에 대한 신체의 반응)일 뿐만 아니라 효과적일 뿐만 아니라 안전하다는 것도 확인되었습니다. 이는 세포에 도입된 "빈" DNA(생체 분자를 운반하지 않는)에 대한 면역 반응이 없다는 사실로 확인되었습니다.

"정말 기뻤습니다."라고 창은 말한다. "예상했던 결과를 보게 되어 정말 기뻤습니다. 생물학에서는 그런 일이 흔치 않거든요."

제약 산업의 미래는 표적 약물에 달려 있습니다.

현재 연구팀은 DNA 플랫폼을 이용하여 특정 면역 세포를 자극하여 면역 반응을 유발하는 새로운 방법의 가능성을 검토하고 있습니다. 이 새로운 기술은 여러 가지 활성 약물로 구성된 백신을 개발하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 면역 반응을 조절하기 위한 표적을 변경하는 데에도 활용될 수 있습니다.

또한 이 새로운 기술은 표적 치료의 새로운 방법을 개발할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 특히 신체의 엄격하게 지정된 부위에만 전달되어 위험한 부작용을 일으키지 않는 "표적" 약물을 생산하는 것이 가능합니다.

마지막으로, DNA 분야는 아직 초기 단계이기는 하지만 애리조나 연구자들의 과학적 연구는 의학, 전자공학 및 기타 분야에 실질적인 영향을 미칩니다.

창과 양은 자신들의 백신 개발 방식에 대해 아직 배우고 최적화해야 할 부분이 많다는 점을 인정하지만, 그들의 발견의 가치는 부인할 수 없습니다. 창은 "개념 증명을 통해 이제 우리는 무제한의 항원을 가진 합성 백신을 생산할 수 있습니다."라고 결론지었습니다.

이 연구에 대한 재정 지원은 미국 국방부와 국립보건원에서 제공했습니다.

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