Structure-Guided Repurposing of SARS-CoV-2 Compounds Identifies Putative Inhibitors of Mpox Viral Enzymes

바이러스의 세계를 작은 침입자들이 우리 세포를 하이재킹하여 자신을 더 많이 복제하려는 북적이고 혼란스러운 도시라고 상상해 보십시오. 이들을 막기 위해 과학자들은 숙련된 열쇠공처럼 행동하며, 바이러스가 기능을 수행하는 데 사용하는 특정 자물쇠(단백질)에 완벽하게 들어맞는 열쇠를 설계하려고 노력합니다. 때때로 이러한 자물쇠들은 서로 다른 바이러스 가문 사이에서도 놀라울 정도로 유사해 보이는데, 이는 마치 집의 문손잡이가 성의 문손잡이와 매우 비슷해 보이는 것과 같습니다. 이러한 유사성은 과학자들에게 영리한 지름길을 제공합니다. 새로운 바이러스마다 처음부터 완전히 새로운 열쇠를 만들어내는 대신, 이미 한 바이러스를 위해 만들어 두었던 열쇠를 다른 바이러스의 자물쇠에 시도해 볼 수 있기 때문입니다. 이것을 "약물 재창출(drug repurposing)"이라고 부릅니다. 이 이야기에서 연구자들은 다시 유행하며 문제를 일으키고 있는 엠폭스(Mpox) 바이러스를 대상으로 조사하고 있습니다. 그들은 엠폭스를 막을 새로운 방법을 찾고자 하며, 구체적으로는 바이러스 내부의 세 가지 핵심 기계를 마비시키려 합니다: 바이러스 부품을 자르는 가위(프로테아제), 바이러스의 메시지에 라벨을 붙이는 스탬프 기계(메틸전이효소), 그리고 우리 면역 체계의 경고 신호를 파괴하는 분쇄기(뉴클레아제)입니다.

연구진은 SARS-CoV-2(코로나19를 일으킨 바이러스)와 싸우기 위해 원래 설계되었던 방대한 양의 열쇠 컬렉션을 엠폭스의 이 세 가지 기계에 테스트하기로 결정했습니다. 그들은 단순히 추측만 한 것이 아니라, 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 열쇠들이 얼마나 잘 맞는지 확인했습니다. 이것은 고성능 비디오 게임과 같아서, 수천 개의 가상 열쇠를 가상 자물쇠에 떨어뜨려 어떤 것이 매끄럽게 돌아가는지 확인하는 과정입니다. 그들은 어떤 열쇠들은 첫눈에는 좋아 보였지만, 시뮬레이션이 더 현실적으로 진행되자 실제로 걸리거나 부서져 버린다는 것을 발견했습니다. 하지만, 그들은 엠폭스의 자물쇠에 매우 잘 맞는 몇 가지 눈에 띄는 열쇠를 식별해 냈으며, 이는 새로운 약물의 시작점이 될 수 있음을 시사합니다. 하지만 여기에는 주의할 점이 있습니다. 이것들은 단지 컴퓨터 예측일 뿐이라는 것입니다. 이 열쇠들은 아직 실제 실험실이나 살아있는 세포에서 테스트되지 않았으므로, 보장된 치료제가 아닌 유망한 "만약에(what-ifs)"에 불과합니다.

위대한 열쇠 찾기: 엠폭스 저지제를 찾아서

이 연구에서 과학자 팀은 디지털 보물 찾기를 떠났습니다. 그들의 목표는 SARS-CoV-2와 싸우기 위해 이전에 연구되었던 화합물 도서관(화학적 열쇠)을 빌려와서 엠폭스 바이러스를 막는 데 사용할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 그들은 엠폭스 바이러스가 생존하고 퍼지는 데 필수적인 세 가지 특정 표적에 집중했습니다:

1. 핵심 프로테아제(Core Protease): 이것을 바이러스의 내부 가위라고 상상해 보십시오. 이것은 긴 단백질 사슬을 더 작고 사용 가능한 조각으로 자릅니다. 이 가위를 멈추면 바이러스는 스스로를 구축할 수 없습니다.
2. VP39 메틸전이효소(Methyltransferase): 이것은 스탬프 기계와 같습니다. 바이러스의 유전 메시지에 특별한 "캡"을 씌워 호스트 세포가 이를 자신의 지시사항으로 읽도록 만듭니다. 스탬프를 멈추면 세포는 바이러스를 무시하게 됩니다.
3. 폭신 뉴클레아제(Poxin Nuclease): 이것을 분쇄기라고 생각하십시오. 이는 감염을 감지했을 때 우리 면역 체계가 보내는 경고 신호를 파괴합니다. 이 분쇄기를 차단하면 면역 체계가 경계 상태를 유지하며 맞서 싸울 수 있습니다.

팀은 SARS-CoV-2를 위해 검토되었던 1,238개의 서로 다른 화학 화합물(천연 및 합성 포함) 라이브러리를 가져왔습니다. 그들은 가장 유망한 후보를 찾기 위한 빠른 광범적 탐색(고속 대량 스크리닝, High-Throughput Screening)을 시작으로, 정확히 어떻게 맞는지 자세히 들여다보는 정밀 분석(분자 도킹, Molecular Docking)을 거쳐 일련의 컴퓨터 테스트를 실행했습니다.

결과: 승자, 패자, 그리고 "거의" 승자들

컴퓨터 시뮬레이션은 흥미로운 결과를 보여주었지만, 동시에 왜 첫눈에 좋아 보이는 것만 믿어서는 안 되는지도 보여주었습니다.

프로테아제(가위)의 발견:
처음에는 780요7010이라는 화합물이 슈퍼스타처럼 보였습니다. 이 화합물은 가장 높은 점수(도킹 점수)를 받았습니다. 그러나 과학자들이 물(water)과 분자의 굽힘을 고려한 더 현실적인 시뮬레이션(MM-GBSA)을 실행했을 때, 이 화합물은 무너졌습니다. 결과적으로 이 화합물은 자물쇠에는 맞았지만, 그곳에 도달하기 위해 너무 많은 에너지가 소모되었습니다. 마치 너무 꽉 끼는 자물쇠에 열쇠를 억지로 밀어 넣으려는 것과 같았습니다.
대신, 두 다른 화합물이 진정한 경쟁자로 떠올랐습니다:

• J08_67: 이 화합물은 가장 안정적인 에너지 프로파일을 가졌습니다. 잘 맞았고 제자리에 머물렀습니다. 시뮬레이션에서 이 화합물은 비교를 위해 사용된 참조 화합물보다 더 나은 -37.03 kcal/mol의 결합 에너지를 보여주었습니다. 또한 체내 흡수가 용이할 것으로 보였습니다.
• J02_11: 이 화합물은 에너지 측면에서는 약간 덜 안정적이었지만, 시간의 흐름에 따라 매우 꾸준했습니다. 100나노초 시뮬레이션(분자와 바이러스의 상호작용을 영화처럼 관찰하는 것) 동안, J02_11은 바이러스의 특정 부분(Lys126과의 수소 결합)을 **85%**의 시간 동안 붙잡고 있었습니다. 매우 신뢰할 수 있는 파트너였습니다.

VP39(스탬프 기계)의 발견:
여기서 결과는 더욱 명확했습니다. JBB43_0001이라는 화합물이 초기 점수는 가장 높았지만, 역시나 상세한 에너지 체크가 다른 이야기를 들려주었습니다. 진짜 승자는 J08_51이었습니다.

• J08_51은 초기 체크에서 -73.61 kcal/mol이라는 엄청난 결합 에너지를 보여주었으며, 100나노초 시뮬레이션 이후에도 평균 -68.38 ± 10.25 kcal/mol의 에너지로 강하게 유지되었습니다.
• 이 화합물은 Asp95라고 불리는 바이러스의 일부와 매우 강력하고 지속적인 결합을 형성했으며(시뮬레이션 시간의 85% 동안 유지), Arg114 및 Asp152와도 새로운 관계를 맺었습니다.
• 그러나 과학자들은 J08_51이 실제 약물로서 다소 "투박할(clunky)" 수 있다고 언급했습니다. 장에서의 흡수 능력이 낮게 예측되었고 제조가 복잡하여, 약물이 되기 위해서는 몇 가지 수정이 필요함을 의미합니다.

폭신(분쇄기)의 발견:
이 표적은 가장 주의가 필요했습니다. 초기 스크리닝에서 최고 점수를 받은 화합물인 SA40_0002는 허위 경보로 판명되었습니다. 이 화합물은 큰 "용매화 페널티(solvation penalty)"를 가졌는데, 이는 물을 싫어한다는 뜻이며, 이로 인해 체내에서 무용지물이 될 것임을 의미합니다.

• 여기서 가장 좋은 후보는 J02_14였습니다. 이 화합물은 균형 잡힌 프로파일을 가졌으며 다른 것들처럼 무너지지 않았습니다. 하지만 참조 화합물만큼 강력하지는 않았으며, 팀이 이 화합물에 대해서는 긴 100나노초 시뮬레이션을 실행하지 않았기 때문에, 이는 확정된 리드가 아닌 "아마도(maybe)" 단계로 남아 있습니다.

이것이 의미하는 바 (그리고 의미하지 않는 것)

이 논문의 핵심 결론은 교차 바이러스 약물 재창출이 작동하지만, 주의가 필요하다는 것입니다. 컴퓨터 화면에서 열쇠가 자물쇠에 맞는다고 해서 그것이 실제 생활에서 자물쇠를 돌릴 수 있다는 뜻은 아닙니다. 이 연구는 "에너지 비용"(MM-GBSA 사용)을 확인하고 분자가 시간에 따라 어떻게 행동하는지(분자 역학 사용)를 보는 것이 얼마나 중요한지를 보여주었습니다. 이러한 추가 단계가 없었다면, 과학자들은 잘못된 열쇠(7807010 및 SA40_0002와 같은)를 선택했을 것입니다.

저자들은 자신들의 작업 한계를 매우 명확히 밝히고 있습니다. 그들은 이 화합물들이 바이러스를 죽인다는 것을 증명하지 않았습니다. 그들은 세포나 동물에서 테스트하지 않았습니다. 그들은 이것들이 인간에게 안전하다는 것을 보여주지도 않았습니다. 그들이 한 일은 컴퓨터를 사용하여 실험실에서 테스트할 가치가 있는 몇 가지 "추정 억제제(putative inhibitors)", 즉 "억제제로 의심되는" 물질을 찾는 것뿐입니다.

논문은 J08_67과 J02_11이 프로테아제의 가장 좋은 출발점이며, J08_51이 VP39 효소의 가장 좋은 출발점이라고 제안합니다. 이 화합물들은 이제 실제 과학자들이 실제 바이러스 부품과 이들을 섞어 실제로 바이러스의 기능을 멈추는지 확인하는 다음 단계 연구를 위한 "단축 목록(shortlist)"이 되었습니다. 그때까지 이들은 엠폭스와의 지속적인 전투에서 컴퓨터가 생성한 매혹적인 단서로 남을 것입니다.