2018년 노벨 화학상은 생명체의 진화원리로 친환경 바이오연료와 바이오의약품 개발에 기여한 과학자 3인에게 돌아갔다.
스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 10월3일(현지시각) 2018년 노벨 화학상 수상자로 프랜시스 아널드(62) 미국 캘리포니아공과대학 교수, 조지 스미스(77) 미국 미주리대학 교수, 그레고리 윈터(67) 영국 케임브리지대학 교수를 선정했다고 발표했다.
진화는 생명체의 유전자를 담은 DNA 일부가 무작위로 바뀌면서 일어나는데, 아널드 교수는 생명체에서 일어나는 다양한 화학반응에서 촉매가 되는 효소 단백질을 진화 원리로 개발하는 길을 열었다. 세균의 DNA에 무작위로 돌연변이를 유발하고 효율이 높은 효소를 만드는 개체를 선택하는 방식이다.
아널드 교수는 농업 부산물을 자동차·항공기의 바이오연료나 친환경 플래스틱의 원료로 바꾸는 효소를 개발했다.
스미스 교수와 윈터 교수는 유전자 조작이 쉬운 박테리오 파지라는 바이러스를 이용해 치료제가 될 단백질 항체를 생산하는 기술을 개발했다.
항체는 질병 유발물질에 달라붙어 면역반응을 유발하는데, 2명의 과학자는 바이러스의 DNA에 무작위로 돌연변이를 유발한 다음 이를 활용해 질병을 억제하는 항체를 찾았고 류머티즘 관절염의 염증을 억제하는 항체를 찾아냈다.
미국 제약기업 Abbvie는 2002년 항체를 휴미라 브랜트로 허가받았다. 휴미라는 2017년 매출이 184억2700만달러(약 20조6382억원)로 세계에서 가장 많이 팔린 의약품으로 부상했다.
단백질은 20종의 아미노산이 긴 사슬로 이어진 뒤 접힌 3차원 구조의 물질로 각 부위를 이루는 아미노산의 종류가 바뀌면 단백질의 3차원 구조가 달라지고 이에 따라 기능도 변하게 된다.
아널드 교수는 단백질 중 생체에서 촉매 역할을 하는 효소(Enzyme)를 구성하는 아미노산의 종류를 일부 치환해 효소의 기능이 바뀔 수 있음을 1993년 최초로 확인했다.
아널드 교수가 타깃으로 삼은 효소는 서브틸리신(Subtilisin)으로 우유 단백질인 카제인을 분해한다. 서브틸리신 효소를 만드는 유전자에 돌연변이를 일으킨 뒤 세균에 주입하자 세균이 일부 아미노산이 바뀐 변형효소를 생산했으나 카제인을 분해하지 못하는 것도 있었다.
오늘날에는 효소를 변형하는 방식을 통해 바이오연료나 유용 화학물질을 만드는 친환경 촉매를 개발하는데 이르고 있다. 변형 효소를 이용하면 복잡한 화학공정을 간단하게 줄이거나 유독물질을 쓰지 않고도 원하는 물질을 만들 수 있다.
스미스 교수는 박테리오 파지라는 세균 감염 바이러스를 이용해 새로운 단백질을 생산하는 파지 전시방법(Phage Display)을 개발했다.
어떤 특정물질(항원)에 결합하는 단백질이나 펩타이드 구조를 알고 싶을 때 항원을 파지 표면에 노출한 뒤 바이러스를 감염시키면 항원에 결합하는 단백질이나 펩타이드 구조를 알아낼 수 있는 방법으로 항원에 결합하는 단백질이나 펩타이드 구조를 알아내면 사람에게 병을 일으키는 병원체에 대한 항체도 인간에 주입하지 않고 만들어낼 수 있다.
그레고리 윈터 교수는 파지 전시방법을 이용해 실제 의약물질로 쓸 수 있는 항체(Antibody)를 만들어내는데 성공했다. 파지전시방법은 자가면역질환이나 전이성 암 치료 항체를 만드는데 쓰이고 있다. 2002년 승인을 받은 류마티스 관절염 치료물질인 아달리무맙이 대표적 사례이다.
자연상태에서는 효소가 어떤 기능을 갖도록 진화하는데 매우 긴 시간이 걸리지만 아널드 교수가 개발한 유도진화나 스미스 교수와 윈터 연구원이 개발한 파지전시방법은 아주 짧은 시간에 인간에게 필요한 기능을 가진 효소나 항체를 만들어낸다는 점에서 진화의 힘을 인간이 손쉽게 이용할 수 있는 길을 연 것으로 평가된다.