2019년 12월 중국 우한에서 시작된 코로나19는 2022년 2월 현재 사그라지기는커녕 나날이 심각성을 더하고 있다. 방역당국과 의료진 뿐 아니라 코로나19와 사투를 벌이고 있는 이들이 있다. 연구현장의 최전선에서 바이러스의 정체를 밝히는 과학자들이다. IBS RNA 연구단에서 RNA를 매개로 한 바이러스와 숙주 간 상호작용을 연구하고 있는 김성철 연구위원(YSF; Young Scientist Fellowship)을 만났다.

김 연구위원은 일찍이 ‘질병을 치료하는 과학자’라는 꿈을 품었다. 기초과학자로서 감염병 치료제와 백신 개발에 어떻게 기여할 수 있을지 오랜 기간 고민을 거듭했다.

“바이러스 등 인간이 생태적 환경에서 접하는 여러 물질과의 복잡 다양한 진화적 관계는 거시세계, 단백질이나 DNA 같은 매우 작은 분자 간 상호작용은 미시세계로 볼 수 있습니다. 이 두 세계 모두를 균형 있게 이해하는 것이 중요합니다.”

이에 김 연구위원은 학부 시절 다양한 전공 수업을 섭렵했다. 그러던 중 흥미로운 연구를 접했다. miRNA(마이크로 RNA)는 원래 숙주세포에서만 생성된다고 알려졌다. 그러나 바이러스도 miRNA를 만들어 숙주세포의 생명현상을 조절함으로써 살아남고, 숙주세포는 그런 바이러스를 견제하며 경쟁한다는 것이다. 요컨대 바이러스는 숙주를 감염시키고, 숙주는 바이러스를 몰아내며 진화해왔다. 김 연구위원은 이를 군비경쟁(軍備競爭)에 비유한다.

“흥미롭게도, 바이러스와 숙주는 군비경쟁관계를 이루며 진화해왔습니다. 이를 이해하는 것이 코로나19를 비롯한 감염병 정복의 첫걸음이 될 것입니다.”

김 연구위원은 ‘바이러스와 숙주의 관계’에 주목, 바이러스가 만들어내는 miRNA의 역할을 주제로 연구에 착수했다. 이후 ‘단일분자생물물리학(single-molecule-biophysics)' 으로 영역을 확장했다. 그중에서도 단일 분자 간 상호작용을 눈으로 직접 관찰할 수 있는 형광전반사현미경(Single-molecule imaging) 분야 전문성을 키우는 데 주력했다.

이후 도전한 분야는 ‘크리스퍼(CRISPR)’다. miRNA는 아고넛(Argonaute)이라는 단백질에 붙어 다른 RNA에 결합, 분해시키는 방식으로 작용한다. 박테리아 또한 miRNA와 유사한 매커니즘을 갖는데, 이를 차용해 발전시킨 기술이 크리스퍼다. 당시에는 크리스퍼를 단일분자생물물리학을 통해 연구한 사례가 거의 전무했다.

김연구위원은 RNA와 바이러스 분야 모두에 전문성을 갖춘 만큼, 향후 RNA 바이러스와 RNA 간 상호작용을 심층 연구할 계획이다. ‘새로운 코로나19 치료 전략 개발이 시급하다’며 ‘과학자로서 사명감을 갖고 감염병 종식에 기여하고 싶다’고 전했다.

두 번째 연구 목표는 '크리스퍼-카스(CRISPR-Cas)‘다. 이는 유전체 교정, 즉 유전자 변이를 만들거나 없애는 기법이다. 2020년도 노벨화학상 수상 분야일 정도로 중요한 주제지만, 아직까지 풀지 못한 난제들이 여럿 있다. 예컨대 CAS9 단백질의 경우, 인간 세포에 적용했을 때 우연히도 원활히 작동했기에 관련 기술이 급속도로 발전할 수 있었다. 그러나 다른 종류의 CAS 단백질들은 인간 세포에서 잘 작동하지 않는다. 크리스퍼-카스 시스템은 박테리아나 세균의 면역체계 관련 단백질이기에 단백질 생성 및 작동 원리가 인간의 경우와 매우 상이하기 때문이다. 따라서 인간이나 포유동물에 CAS 단백질을 적용하려면 후속 연구가 필요하다.

기존에는 유전물질인 DNA를 매개로 한 크리스퍼-카스 시스템에 이목이 집중됐으나, 김 연구위원은 ‘RNA’를 매개로 한 시스템을 연구하고자 한다. 나아가 유전자 교정법 뿐 아니라 다양한 생명과학 응용기술에까지 적용할 수 있는 이론적 토대를 마련할 계획이다.

“인류의 미개척 지식을 발굴하여, 교과서에 실릴 만한 기여를 하는 것. 그것이 과학자로서 최종 목표입니다.“

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김성철 연구위원이 몸담은 IBS RNA 연구단은 2020년 4월, 세계최초로 사스코로나바이러스-2의 고해상도 유전자 지도를 완성해 세계적 학술지 셀(Cell)에 게재했다. 바이러스 증식 원리를 규명함으로써 초정밀 진단 시약과 치료제 및 백신 개발에 크게 기여하였다. 놀랍게도 첫 실험 후 한 달여 만에 도출한 성과였다. 이는 사실 수년에 걸쳐 미리 준비가 되어 있었기 때문이다. IBS는 RNA 연구단이 안정적으로 운영될 수 있도록 8년간 물심양면 지원했으며, 연구단은 최신 차세대 염기서열 분석 장비를 갖추고 우수한 과학자를 미리 합류시켰다.

사람에게 감염병을 일으키는 병원체는 800여 개로 알려진 반면, 세계보건기구(WHO)가 예방 효과를 인정한 백신은 30개가 채 되지 않는다. 전문가들은 앞으로 코로나를 능가하는 신변종 바이러스가 출현할 가능성이 늘 존재한다고 말한다. 기초과학에 대한 지속적인 관심과 투자가 절실한 이유다. 김성철 연구위원은 기초과학 연구로 훗날 닥쳐올 질병에 대비할 든든한 초석을 마련하고 있다. 그의 연구가 가져올 나비효과를 기대해보자.

IBS 커뮤니케이션팀
박유진