1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

 코로나19는 2019년 12월 중국 위안시에서 최초 발생하고 전 세계로 빠르게 확산되어 3개월 후인 2020년 3월에 세계보건기구(WHO)에서 팬데믹을 선언하였습니다. 3년 여가 지난 지금까지도 지속적인 변이 바이러스가 출현하고 있고, 2023년 2월 기준 전 세계적으로 6.7억명 이상의 감염 확진자와 670만명의 사망자가 발생하였습니다. 코로나19는 베타-코로나바이러스에 속하는 SARS-CoV-2 라는 신종 바이러스에 의해 발생하는 호흡기 질환이며, SARS-CoV, MERS-CoV와 유전학적 및 진화적으로 매우 유사하고 박쥐, 청산갑 등의 야생동물을 통해 인간에게 전염된 인수공통 바이러스입니다.
 SARS-CoV-2 바이러스가 숙주세포에 감염하는 첫 단계는 바이러스 외피에 박힌 돌기형 단백질인 Spike가 숙주세포막에 존재하는 단백질인 Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)를 특이적으로 인식하여 결합하는 것인데, 이후 세포막 융합을 통해 코로나바이러스 유전체가 숙주세포 내로 이입하게 됩니다. 그렇기 때문에, Spike와 ACE2의 상호작용을 억제함으로써 SARS-CoV-2 바이러스의 숙주세포 감염을 원천적으로 차단하는 것이 SARS-CoV-2 억제약물 개발을 위한 최적의 표적 전략 중 하나입니다. 더불어 Spike 단백질은 SARS-CoV-2 자연감염 또는 백신접종에 의해서 인체 면역작용의 결과물로 형성되는 중화항체의 주요한 표적입니다.
 저는 이번 연구를 통해 SARS-CoV-2 Spike와 ACE2 단백질 사이의 상호작용을 간편하게 정량적인 방식으로 측정할 수 있는 세포배양액기반의 Spike-ACE2 상호작용 바이오센서를 개발하였습니다 (그림 참고). 기존 기술로는 Spike와 ACE2 단백질과 같은 세포막 단백질 간의 결합을 자연상태와 유사하게 구현해서 분석하는데 어려움이 있었으나, 저는 해당 단백질들 각각이 바이오센서 모듈, 그리고 세포 밖 분비신호 펩타이드 (Secretory signal peptide)와 융합한 형태로 세포내에서 합성된 후 세포 밖으로 효율적으로 배출되도록 유도하여 세포배양액 내에서 Spike와 ACE2 단백질 간의 결합이 이루어지면 바이오센서가 작동하여 발광신호를 내도록 설계하였습니다.

 해당기술을 활용하면 코로나 감염 후 회복된 사람 또는 백신접종자의 혈중에 형성된 중화항체를 손쉽게 분석할 수 있고, Spike 단백질을 표적으로 하여 항바이러스 효능을 낼 수 있는 약물을 스크리닝할 수 있으며, 특히 다양한 바이러스 변이를 패널화하여 중화항체나 약물의 교차반응성을 조합적으로 분석하는데 유용하게 활용될 수 있음을 증명하였습니다.

 해당기술은 코로나바이러스 이외의 다른 바이러스도 쉽게 적용이 가능한 플랫폼 기술로 향후 신변종 바이러스의 출현 상황에서 신속하게 항체 진단기술을 개발하는데 활용될 수 있고, 더 나아가 세포막 단백질 간의 결합을 분자표적으로 하는 신약개발에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대합니다.

그림 (A) 코로나바이러스의 숙주세포 감염 첫 단계인 스파이크-ACE2 단백질 결합 (B) 세포배양액 기반 스파이크-ACE2 단백질 간 결합 바이오센서 작동원리 (C) 바이오센서를 이용한 중화항체 및 저분자 항바이러스 약물의 효능 평가 적용 (D) 변이 코로나바이러스에 따른 중화항체들의 교차반응 분석 적용

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

 본 연구는 한국생명공학연구원의 핵산치료제연구센터 조성찬 박사님 연구실에서 수행되었습니다. 한국생명공학연구원은 생명과학 전반에 걸친 다양한 분야를 연구하는 기관으로 우수한 박사급 인력 및 인프라를 갖춘 정부출연연구원입니다. 저희 핵산치료제연구센터는 차세대 바이오의약품으로 부상하고 있는 핵산을 이용하여 감염병과 다양한 난치질환에 대해서 치료제 개발 연구를 하고 있습니다. 제가 속한 실험실은 조성찬 교수님께서 지도교수님으로 계시며, 대학원생 4명의 학생들로 구성되어있습니다 (사진 참조). 저희 실험실은 서로의 연구에 대해서 활발한 소통과 open discussion을 통해서 더 나은 연구를 할 수 있는 환경이며, 다양한 그룹과의 공동연구를 통해 활발히 연구가 이루어지고 있습니다.

        사진. 핵산치료제연구실 구성원, 조성찬 교수님 (왼쪽), 함영욱 (왼쪽 두번째)

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

 18년 7월 무더운 여름날 조성찬 박사님 실험실에 대학원생으로 들어와서 교수님 지도하에, 지금까지 다양한 연구들을 수행해온 과정들이 생각납니다. 그 안에서 연구가 생각처럼 잘 이루어지지 않고 한계에 부딪혀 힘들 때도 많았지만, 꿋꿋하게 연구에 대한 열정으로 저의 연구를 수행해왔습니다. 지치지 않고, 꾸준하게 연구를 한 결과들이 하나하나씩 정리가 되고 논문으로 마무리하는 과정을 통해 짜릿한 성취감과 좋은 동기부여가 되었습니다. 이런 경험들이 저에게는 멋진 연구자로서 성장하는 데 좋은 밑거름이 될 것이라 믿고, 열심히 노력을 한 사람에게는 언젠가는 결실을 맺는다는 것을 다시 한 번 느끼게 된 소중한 경험이었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

 다양한 생명 현상들을 이해하고 밝히는 학문은 매력적입니다. 그러나, 단순히 이러한 새로운 현상들을 밝히는 것에만 그치지 않고, 지금 이 순간에도 다양한 희귀 난치질병으로 고통받고 있는 환자와 가족들을 위해 실질적인 도움이 될 수 있는 연구를 하고 인류에 이바지한다는 큰 뜻을 마음속에 가지고 연구를 하면 더욱 좋을 것 같습니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

 향후 다양한 변이 바이러스들에 대해 적용하여 패널화를 할 예정이며, 더 나아가서 코로나바이러스 뿐만 아니라 다른 바이러스와 숙주 세포의 수용체 상호작용에 대해서 확대적용하고자 합니다. 그리고 바이러스 뿐만 아니라 다양한 질병 관련된 세포막 단백질간의 상호작용에 대해서도 적용하여 기초연구 및 약물발굴연구를 진행하려고 하고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

 대학원 학위과정에서 부족한 저를 멋진 연구자로 성장할 수 있도록 다방면으로써 도움을 주신 조성찬 박사님께 감사의 인사를 드리고 싶습니다. 학위과정 속에서 연구자로써 갖춰야 할 자질이 연구수행능력 뿐만이 아니라 여러가지 부분들을 지도해주신 덕에 좋은 연구를 할 수 있었던 같습니다. 그리고 연구가 잘 수행할 수 있도록 도움을 주신 한국화학연구원의 조남철 박사님께 감사드리며, 학위를 하면서 힘들 때 응원해주고 많은 도움을 준 대용, 민주, 민선, 민경, 재휘한테도 고맙다라는 말을 하고 싶습니다. 또, 연구하면서 실험적으로 고민이 생기거나 문제점이 생겼을 때, 지치고 심적으로 힘들 때, 이야기 들어주면서 조언을 해주셨던 정기형님, 경택형님 감사드립니다. 마지막으로 무뚝뚝한 아들로써 평소에 말을 잘못했는데 항상 뒤에서 묵묵하게 제가 하는 연구에 대해서 응원해주시는 부모님과 큰외삼촌, 큰외숙모님에게도 진심으로 감사 인사를 전합니다.