지난 2020년을 다시 떠올려보자. 2020년에는 시간이 지날수록 점점 코로나19가 확산되면서 그 영향이 커졌다. 우리는 마스크를 착용하고 손에 닿는 모든 것을 소독하고 다른 사람과 거리를 두어야 잠재적으로 치명적일 수 있는 코로나19로부터 우리 자신을 보호할 수 있다는 경고를 받았다.

그러나 다행히도 우리를 보호할 더 효과적인 방법이 만들어지고 있었다. 과학자들은 빠른 속도로 완전히 새로운 유형의 백신을 개발했다. 1월에는 코로나19의 원인 바이러스에 대한 염기서열 분석이 이루어졌고 3월에는 메신저 RNA(mRNA)를 사용하는 백신의 임상시험이 시작됐다. 2020년 말에 미국 식품의약청(US Food and Drug Administration, FDA)이 이 백신에 대한 긴급 사용을 허가하면서 백신 접종 노력이 급물살을 타기 시작했다.

현재까지 미국에서는 총 6억 7,000만 도즈(dose) 이상의 백신이 접종되었다.

이처럼 코로나 백신 개발과 접종은 그 어떤 신약보다도 놀라울 정도로 빠른 속도로 진행되었다. 이렇게 빠른 진행이 가능했던 것은 이전에 수년 동안 mRNA 백신의 핵심 기술에 대한 연구가 이루어지고 있었기 때문이었다. 과학자들과 기업들은 수십 년 동안 mRNA 기반의 치료법과 백신에 대해 연구해왔다. mRNA를 이용한 최초의 실험적인 치료법은 당뇨병과 암을 포함한 질병이 목표였고 이 치료법에 대한 시험은 1990년대에 설치류를 대상으로 이루어졌다.

mRNA 백신은 다른 많은 백신처럼 사람의 몸에 바이러스 일부를 주입하는 방식을 사용하지 않는다. 대신에 mRNA 백신은 우리 몸이 바이러스 유관 단백질을 스스로 만들어 내는 데 사용할 수 있도록 유전자 코드를 전달한다. 기존의 백신처럼 실험실에서 바이러스를 배양하고 바이러스가 만드는 단백질의 독성을 제거하는 과정을 거칠 필요가 없으므로 mRNA 백신은 훨씬 빠르고 간단하게 만들 수 있다.

이러한 mRNA 백신의 가능성은 코로나19에만 국한되지 않는다. 최초로 승인된 mRNA 백신은 코로나19를 위한 것이었지만, 과학자들은 현재 다른 많은 질병에 대해서도 비슷한 백신 개발을 위해 연구하고 있다. 과학자들이 연구 중인 대상에는 말라리아, 인간면역결핍 바이러스(HIV: 에이즈(AIDS)의 원인 바이러스), 결핵, 지카 바이러스(Zika virus) 등이 있다. mRNA 백신은 또한 환자 개개인에 맞춘 암 치료에도 사용될 가능성이 있다. 이 치료법은 mRNA를 이용해서 면역체계의 특정 반응을 촉발하는 방식을 바탕으로 한다. 여기서 특정 반응이란 면역체계가 우리 몸의 암세포들을 공격하도록 하는 것이다.

코로나19에 승인된 두 개의 mRNA 백신 중 하나를 제조한 바이오 테크 기업 모더나(Moderna)는 호흡기 세포융합 바이러스(respiratory syncytial virus, RSV), HIV, 지카 바이러스, 엡스타인바 바이러스(Epstein-Barr virus, EBV) 등의 mRNA 백신을 개발 중이다. 화이자(Pfizer)와 제휴하여 mRNA 기반의 코로나19 백신을 개발한 바이오 엔텍(BioNTech)은 결핵, 말라리아, HIV, 대상포진, 독감에 대한 백신을 연구하고 있다. 두 기업은 mRNA를 활용한 암 치료법도 연구하고 있으며, 다른 많은 회사와 연구실도 이러한 노력에 동참하고 있다.

mRNA 백신의 원리

메신저 RNA, 즉 mRNA 자체는 우리 DNA에 단백질 제조에 사용할 수 있는 정보를 전달하는 한 가닥의 유전자 코드이다. 실험실에서 제작하여 백신에 사용하는 mRNA는 특정 단백질에 대한 정보를 암호화할 수 있다. 여기서 특정 단백질이란 우리 면역체계가 인식할 수 있도록 학습시키고 싶은 대상을 의미한다. 예를 들어 코로나19 백신의 경우에는 mRNA가 코로나19의 원인 바이러스인 사스 코로나바이러스-2(Sars-CoV-2 virus)의 외피에서 발견한 스파이크(spike) 단백질 정보를 전달한다. mRNA 자체는 지질 나노입자(lipid nanoparticle, LNP)로 포장되어 있어서 우리 몸속으로 이동하는 과정에서 살아남을 수 있다.

백신에 mRNA를 사용하는 방식에 관한 연구를 개척한 펜실베이니아 대학교(University of Pennsylvania)의 카탈린 카리코(Katalin Karikó) 겸임교수는 mRNA 백신이 “저렴하고 빠르며 만들기 쉽다”고 말한다. mRNA 백신은 또한 매우 효율적이다. 카리코는 “세포에 mRNA를 주입하면 30분 후에는 이미 단백질을 생산하고 있다”고 설명했다.

mRNA의 원리는 일단 우리 면역체계가 목표 바이러스의 단백질에 노출되면 나중에 바이러스와 마주쳤을 때 더 강한 반응을 보일 수 있게 된다는 것이다. 코로나19 백신의 경우는 면역체계가 감염으로부터 보호하는 항체(antibody)를 생산하도록 도움을 준다. 백신을 통해 훈련된 면역세포도 중요한 역할을 한다.

이론적으로 우리는 거의 모든 단백질에 대한 mRNA를 만들 수 있으므로 잠재적으로는 거의 모든 전염병을 목표로 삼을 수 있다. 따라서 현재는 mRNA 백신 기술의 발전을 지켜볼 수 있는 흥미진진한 시기이며 실제로 수많은 전염성 질병에 대한 백신이 임상시험 단계를 거치고 있다.

범용 백신에 대한 기대

다음에 어떤 mRNA 백신을 병원에서 만나게 될지 정확히 예측하기는 어렵다. 그래도 기대가 큰 백신은 있다. 바로 독감 백신이다. 무엇보다 mRNA를 이용한 범용 백신이 개발된다면 여러 유형의 독감으로부터 우리를 보호하는 동시에 코로나바이러스에 대해서도 보호할 수 있을 것이다.

현재 사용되는 독감 백신은 바이러스의 단백질을 우리 몸 속 면역체계에 소개해 면역체계가 해당 단백질에 반응하고 바이러스에 이기는 법을 배우게 하는 방식을 사용한다. 그러나 이러한 백신용 단백질을 만들기 위한 바이러스를 배양하는 데는 몇 달이 소요된다. 캐나다 밴쿠버의 브리티시컬럼비아 대학교(University of British Columbia)에서 RNA를 연구하는 애나 블레이크니(Anna Blakney)는 “10월에 독감 백신을 사용할 수 있도록 준비하려면 생산 과정을 2월에 시작해야 한다”고 설명한다. 매년 북반구의 과학자들은 남반구에서 벌어지는 상황을 지켜보면서 어떤 종류의 독감이 유행할지 예측한다.

그러나 이러한 예측이 항상 정확한 것은 아니다. 독감 바이러스는 심지어 유정란 속에서 배양되는 동안에도 시간이 지남에 따라 변이할 수 있다. 블레이크니는 결과적으로 “독감 백신은 성능이 뛰어나지 않은 것으로 악명이 높다”고 말한다. 미국 질병통제예방센터(US Centers for Disease Control and Prevention)의 추정에 따르면, 2019~2020년에 미국에서 사용된 독감 백신의 예방 효과는 39%였으나 2004~2005년 독감 시즌에 사용된 백신의 효과는 10%에 불과했다.

반면 mRNA 백신은 비교적 빠르게 제작할 수 있다. 블레이크니는 “mRNA 백신은 한 달 만에 만들 수도 있다”고 설명한다. 그렇게 되면 과학자들은 10월에 어떤 독감 유형이 유행할지 9월까지 더 정확하게 예측한 후에 백신을 내놓을 수 있다.

독감을 대상으로 하는 mRNA의 잠재적인 이점은 또 있다. 과학자들은 하나 이상의 바이러스 단백질을 암호화하는 mRNA 백신을 만들 수 있다. 그렇게 되면 한 번에 다양한 독감 유형의 백신을 만들 수 있을 것이다. 펜실베이니아 대학교의 노버트 파디(Norbert Pardi)가 이끄는 연구팀은 범용 독감 백신을 연구하고 있다. 파디는 이러한 범용 백신이 사람을 아프게 만들 수 있는 모든 유형의 독감을 예방하는 데 효과가 있을 것이라고 생각한다. 파디의 연구팀은 최근 쥐와 페럿에서 20종의 독감 아형(subtypes)에 효과를 보이는 백신을 선보였다. 다른 연구실들도 모든 종류의 코로나바이러스에 효과를 보이는 범용 mRNA 백신을 연구하고 있다.

여러 개의 단백질을 암호화할 수 있다면 여러 질병에 효과가 있는 백신을 만들 가능성이 있다. 예를 들어 코로나19, 독감, 호흡기 세포융합 바이러스(RSV) 감염증을 대상으로 하는 모더나의 백신은 이미 임상시험을 진행하고 있다. 향후에는 여기서 더 나아갈 수도 있다. 카리코는 “이론상 한두 번의 백신 접종으로 20개의 다양한 바이러스로부터 우리 몸을 보호할 수 있다”고 설명했다.

암 백신

코로나19의 원인 바이러스인 코로나바이러스에 대한 mRNA 백신 개발이 시작되기 전에 연구원들은 mRNA를 암 치료에 사용하는 방법을 찾기 위해 노력하고 있었다. 이 경우에는 코로나19 mRNA 백신과는 약간 다른 접근법을 사용한다. 암 치료용 mRNA는 ‘백신 치료제(vaccine therapeutic)’로 작용할 것이다.

바이러스의 단백질을 인식하도록 면역체계를 훈련시키는 것과 같은 방식으로 암세포의 단백질도 훈련시킬 수 있을지 모른다. 이론적으로 이 접근법은 완전히 개인 맞춤용으로 활용될 수 있다. 과학자들은 특정 인물의 종양 세포를 연구해서 해당 인물의 면역체계가 암에 대항할 수 있도록 맞춤형 치료법을 만들 수 있다. 블레이크니는 “RNA를 환상적으로 응용한 치료법”이라며 “이러한 방식에는 엄청난 잠재력이 있다”라고 평했다.

암 백신은 만들기 더 까다롭다. 목표로 하는 명확한 단백질이 없는 경우가 많기 때문이다. 우리는 코로나바이러스의 스파이크 단백질처럼 바이러스의 외피에 있는 단백질에 대한 mRNA를 만들 수 있다. 하지만 칼이 코에 따르면, 세포가 종양을 형성할 때는 스파이크 단백질처럼 목표로 할 수 있는 명확한 표적이 없는 경우가 많다.

파디는 암세포가 코로나바이러스에 대항하는 데 필요한 것과는 다른 종류의 면역반응을 필요로 할 것이라고 말하며, “우리는 약간 다른 mRNA 백신을 생각해 내야 한다고 덧붙였다. 여러 임상시험이 진행 중이지만, 파디는 “아직 돌파구는 찾아내지 못했다”라고 밝혔다.

앞으로 발생할 팬데믹

이처럼 mRNA 백신의 전망은 엄청나지만, 적어도 현재 기술 수준에서는 mRNA 백신이 모든 질병을 예방하거나 치료할 가능성은 낮다. 스웨덴 스톡홀름의 카롤린스카 의과 대학교(Karolinska Institute) 소속 면역학자 카린 로레(Karin Loré)는 우선 mRNA 백신 중 일부는 저온 냉동고에 보관되어야 한다는 점을 지적했다. 이러한 보관 문제로 인해 일부 국가에서는 mRNA 백신을 활용하기 어렵다.

어떤 질병들은 다른 질병보다 mRNA 백신을 활용하기가 더 까다롭다. 전염병을 막기 위해서는 백신에 포함된 mRNA에 관련 단백질 정보를 암호화해야 한다. 그래야 면역체계가 인식하고 방어해야 하는 중요한 대상에 대한 정보를 전달할 수 있다. 코로나19와 같은 일부 바이러스의 경우에는 표적이 될 단백질을 찾는 일이 상당히 간단하다.

하지만 다른 질병은 그렇지 않다. 블레이크니는 예를 들어 세균 감염으로부터 보호해 주는 백신을 위한 좋은 표적을 찾는 일은 더 어려울 수 있다고 지적한다. HIV도 어려운 바이러스 중 하나이다. 블레이크니는 “과학자들은 HIV에 효과가 있는 면역반응을 유도하는 단백질을 찾아내지 못했다”라고 토로했다.

로레는 “mRNA 백신이 모든 것에 대한 해결책이 될 것이라는 인상을 주고 싶지 않다”고 밝혔다. 블레이크니도 이에 동의한다. 블레이크니는 “우리는 mRNA 백신의 효과를 목격했고 이는 매우 흥미롭다”라며 “하지만 갑자기 모든 백신이 mRNA 백신으로 전환될 것이라고는 생각하지 않는다”고 말했다.

그렇다고 해도 아직 기대할 수 있는 부분은 많다. 2023년에는 더 발전된 코로나19 백신이 출시될 것이다. 연구자들도 가까운 미래에 더 많은 mRNA 백신이 활용되기를 바라고 있다. 파디는 “앞으로 몇 년 안에 전염병에 대한 다른 mRNA 백신이 승인되기를 매우 고대한다”라고 밝혔다.

파디는 독감 바이러스로 인해 발생할 가능성이 있는 다음 팬데믹에 대비하고 있다. 파디는 “다음 팬데믹이 언제 닥칠지 알 수 없지만, 그런 일에 미리 대비해야 한다”라고 강조하면서 “팬데믹이 발생하고 나서 백신 개발을 시작하면 너무 늦다”고 덧붙였다.