다시 올해가 왔다. 2021년을 뒤로하고 우리는 올해를 형성한 생명 공학 혁신을 강조하기 위해 기억의 길을 가고 있다. 코로나19가 뉴스를 지배했지만 과학은 가만히 있지 않았다.

유전자 편집을 살펴보자. CRISPR은 놀라운 속도로 변이를 만들어냈고, 전임자보다 훨씬 더 효율적이고 안정적이며 안전한 강력한 유전자 편집기로 가득 찬 거대한 도구 상자로 확장했다. 예를 들어, CRISPRoff는 후성 유전 과정을 가로채서 유전자 자체를 실제로 자르거나 손상시키지 않고 유전자를 가역적으로 켜고 끈다. DNA를 완전히 자르지 않고 잘라 내기만 하는 닙턱(nip-tuck) DNA 편집인 프라임 편집은 다양한 세포에서 최대 10,000개의 DNA 문자를 정확하게 편집할 수 있도록 업그레이드되었다. 트윈 프라임 편집은 전체 유전자를 재 작업할 수 있다. 이러한 강화된 CRISPR 도구를 사용하면 이전에는 불가능했던 유전 질환을 해결할 수 있다.

그러나 우리는 여전히 유전자 편집의 표면을 긁고 있을 뿐이다. CRISPR 가계도를 들여다보면서 과학자들은 추가로 탐구할 대체 CRISPR 유사 시스템의 광대한 우주를 발견했다. AI는 이제 새로운 CRISPR 단백질과 그 킬 스위치를 식별하는 데 도움이 된다. 다른 아이디어는 CRISPR에서 완전히 뛰어내려 또 다른 강력한 박테리아 시스템을 활용하여 단일 DNA 가닥을 끊지 않고 수백만 개의 DNA 서열을 편집했다. 의심할 여지없이 유전자 편집 도구 상자는 계속 확장될 것이다.

다른 뉴스에서 양자 역학은 AI의 속도를 높이기 위해 신경 과학과 연결되었다. AI는 이제 Google에서 자체 하드웨어 칩을 효율적으로 설계하고 있다. 놀라운 개념 증명에서 AI 기반 뇌 임플란트는 만성 통증을 치료하고 뇌의 전기 신호를 생각에서 텍스트로 변환하는 지속적인 작업으로 우울증과 싸울 수 있었다. 의학계에서 알츠하이머 치료에 대한 치열한 논쟁은 오랫동안 정신을 잡아먹는 우리의 적과 맞서 싸우고 길들이기 위한 새로운 매혹적인 아이디어를 촉발했다.

아직 많이 남았다. 그러나 다음은 2021년 이후에도 생명 공학을 계속해서 변화시킬 상위 3가지 발전이며 일부는 2위를 차지했다.

mRNA 백신

우리 모두는 코로나19와 백신에 대해 듣는 데 지쳤다. 그러나 완전히 새로운 감염성 바이러스와 싸우는 그들의 놀라운 능력은 "기적에 불과하다." 또한 이전의 어떤 백신 기술보다 훨씬 빠르고 간단하며 적응력이 뛰어난 플랫폼을 통해 이전에는 실험실에서 시들했던 수십 년 된 기술의 힘을 보여주었다. 그들은 더 이상 바이러스의 물리적 표적 단백질에 의존하지 않고, 오히려 그 단백질에 대한 유전자 코드에만 의존하기 때문에 백신을 설계하려면 랩톱과 약간의 독창성이 필요하다. GlaxoSmithKline의 팀은 "디지털 백신의 시대가 도래했다.”고 썼다. 

열성팬들에게 mRNA 백신은 다양한 질병에 대한 현재 치료법을 변화시킬 수 있으며 이 분야는 폭발적으로 성장하고 있다. 예를 들어, 모더나(Moderna)는 8월에 HIV 백신 인간 실험을 시작하여 안전성 평가를 시작하고 40년 동안 고전적인 백신 전술에서 벗어난 바이러스에 대처했다. NIH(National Institutes of Health)와 함께 회사는 원숭이의 감염 가능성을 거의 80%까지 낮추는 HIV 백신 후보에 대한 데이터도 발표했으며 모든 피험자는 12개의 테스트된 HIV 변종에 대한 항체를 개발했다. 이것은 작은 일이 아니다. HIV 표적인 Env는 복잡성으로 인해 강력한 표적이며 백신 표적 지점을 가리기 위해 설탕 갑옷으로 코팅되어 있다. mRNA 백신은 새로운 희망을 제시한다.

바이러스는 제쳐두고, mRNA 백신은 또한 자가면역 또는 신경퇴행성 질환에 대한 새로운 솔루션을 나타낸다. 화이자(Pfizer)의 코로나19 백신 개발 파트너인 바이오엔텍(BioNTech)이 다발성 경화증(MS)에 이 기술을 적용하고 있다. 다발성 경화증에서 면역 체계는 점차적으로 신경 섬유의 절연체를 벗겨내어 점진적이고 돌이킬 수 없는 손상을 일으킨다. 생쥐의 초기 결과는 "매우 유연하고 빠르며 비용 효율적인" 접근 방식으로 긍정적인 동시에 각 환자에게 잠재적으로 개인화될 수 있다.

파이프라인 아래에는 암이나 항생제 내성을 다루는 mRNA 백신이 있다. 이 기술이 우리의 가장 어려운 질병 중 일부를 해결할 수 있는지 여부는 두고 볼 일이지만 이 분야는 요동치고 있다.

생체 내 유전자 요법

CRISPR은 유전자 치료를 근본적으로 변화시킬 수 있는 도구로 오랫동안 선전되어 왔다. 이전 연구에서는 유전자 편집 도구를 사용하여 면역 T 세포를 강화하여 혈액암과의 싸움을 강화하는 슈퍼 군인으로 변환했다(CAR-T 요법). 이 도구는 또한 혈액 질환이 있는 환자의 빈혈 및 기타 증상 퇴치에 성공했다. 단점은 세포가 신체 외부에서 유전자 편집되어 혈류로 다시 주입되어야 한다는 것이었다. 올해 CRISPR은 신체 내부의 유전자를 직접 편집하여 잘못된 유전자 코드로 인한 수백 가지 장애를 치료할 수 있는 가능성을 열어주는 궁극적인 목표로 승격했다. 

유니버시티 칼리지 런던(University College London)의 한 실험에서 간에서 돌연변이 유전자를 편집하여 결국 심장과 신경 손상을 유발하는 돌파구를 마련했다. 이전 시도와 달리 여기에서는 CRISPR 기계가 단일 주입으로 혈류로 전달되어 유전자를 차단하여 6명의 환자에서 돌연변이 단백질 생산이 급격히 감소했다. 또 다른 실험에서는 실명을 유발하는 기능 장애 유전자를 잘라냈다. 치료를 망막에 직접 주사함으로써 지원자들은 빛을 더 잘 감지할 수 있었다.

둘 다 엣지 케이스이다. 간 실험을 위해 CRISPR은 더 일시적인 유전자 편집 효과와 함께 간에 친화력이 있는 지질 나노입자(작은 지방 우주선)를 사용하여 전달되었다. 그리고 망막과 달리 우리 몸의 대부분의 조직은 간단한 주사로 즉시 접근할 수 없다. 그러나 개념 증명으로서, 실험은 마침내 CRISPR를 신체 내부의 유전자 편집 가능성의 광대한 세계로 가져왔다. 전달의 발전과 함께 CRISPR과 그 많은 업그레이드는 치료할 수 없는 것을 치료하도록 설정되어 있다.

인간 발달에 대한 전례 없는 관점

인간 배아 발달의 처음 몇 시간과 며칠은 우리가 깨야 할 블랙박스이다. 조기 임신을 이해하는 것은 선천적 결함과 임신 손실을 제한하고 보조 생식 기술을 개선하는 데 중요하다. 

문제? 초기 배아는 오기 힘들고 심각한 윤리적, 법적 문제를 안고 있다. 올해 여러 연구에서 이러한 문제를 우회하는 대신 피부 세포를 인간 배아의 첫 번째 단계와 유사한 세포 구조인 배반포로 변형시켰다.

일반적인 "정자가 난자를 만난다"는 이야기를 어뢰로 만든 연구에서는 생식 세포가 필요 없는 배아 줄기 세포와 피부 세포를 사용하여 "인간 배아의 첫 번째 완전한 모델"을 설계했다. 영양가 있는 액체에 담근 세포는 배반포로 발전하여 결국 우리 몸을 만들기 위한 모든 혈통으로 이어지는 세포 유형을 포함한다. 인공배아는 유전적으로 자연배아와 유사하여 얼마나 오랫동안 발달을 허용해야 하는지에 대한 논쟁을 불러일으키고 있다. 악몽 시나리오? 피부 세포로 만들어진 배아 내부에서 자라는 작은 뇌를 상상해 보라.

현재로서는 그것이 기술적으로 불가능하지만 윤리적 곤경은 인간 줄기 세포 및 배아와 관련된 연구를 관장하는 국제 줄기 세포 연구 학회(ISSCR)에서 우려를 불러일으켰다. 그러나 놀랍게도 올해 그들은 배아 배양에 대한 14일 규칙을 완화하여 배아 연구를 2주 이상 추진할 수 있도록 허용했다. 완화된 지침에 따라 향후 연구에서는 자궁에 착상한 후 인간 배아와 위장 형성(유전적 단서가 신체의 전반적인 패턴을 제시하고 장기 발달 단계를 설정하는 경우)에 어떤 일이 발생하는지 밝혀낼 수 있다.

논란에 휩싸인 결정이지만 IVF를 수정하고 처음으로 인간 발달의 첫 번째 단계를 검토할 수 있는 전례 없는 기회를 제공한다. 그것은 또한 윤리적인 문제를 야기할 수밖에 없다. 자연적이든 인공적이든 배아가 발화하는 뉴런이나 맥동하는 심장 세포를 발달시키기 시작하면 어떻게 될까? 인공 배반포가 생물학적 대응물을 점점 더 구체화함에 따라 한 가지 분명한 사실이 있다. 큰 힘에는 큰 책임이 따른다는 것이다.

준우승

AI 예측 단백질: DeepMind와 워싱턴 대학교는 순전히 유전 코드를 기반으로 단백질 구조를 해결할 수 있는 AI를 설계했다. 이것은 "세대적 발전에 한 번", "올해의 돌파구"이자 구조 생물학을 영원히 바꿀 도구이다. 원래 AI에 대한 업데이트는 이제 단백질 복합체, 즉 한 단백질 단위가 다른 단백질 단위와 상호 작용하는 방식과 그 기능까지도 예측할 수 있다. AI는 또한 DNA를 단백질에 연결하는 메신저인 RNA 구조를 해결하기 시작했다. 합성 생물학에서 약물 개발에 이르기까지 그 영향은 아직 오지 않았다. 

AI가 설계한 약물: 오랜 시간 동안 만들어졌지만 이제 과대 광고는 현실이 되었다. 올해 구글의 모회사 알파벳은 AI를 활용한 신약 개발의 새로운 세계에 도전하기 위해 아이소모픽 랩스(Isomorphic Labs)라는 새로운 벤처를 출범시켰다. 강력한 알고리즘으로 인해 수백만 개의 화학 물질에서 약물 후보를 점점 더 쉽게 스크리닝할 수 있다. 그리고 인공지능이 발견한 첫 번째 약물은 현재 장기 기능을 비가역적으로 저하시키는 폐 질환에 대한 안전성 테스트에서 임상 시험에 들어간다. 이것은 중요한 이정표이며, 이 시험은 질병을 치료하는 최초의 AI 발견, 인간 테스트 약물의 길을 열 수 있다.

코로나19와 함께 살아온 또 다른 1년 동안, 대유행이 과학을 억제할 수 없다는 것이 분명하다. 나는 2022년에 좋은 것, 이상한 것, 그리고 더 많은 "한 세대의 돌파구" 생명 공학 이야기를 (숨을 참으며) 공유하고 싶다.

이미지 출처: Schäferle / Pixabay