Knobs-into-Holes Engineering Enables Assembly of Bispecific Anti-HER2/Anti-HER3 Antibodies in Transient Plant Expression System

암 치료는 종종 매우 특이적인 열쇠 역할을 하는 Y자 모양의 단백질인 항체에 의존합니다. 이 열쇠들은 암세포 표면에 있는 자물쇠에 딱 맞도록 설계되어, 종양이 성장하거나 생존하라고 지시하는 신호를 차단합니다. 수년 동안 과학자들은 단 한 종류의 자물쇠만을 겨냥하는 항체를 만드는 데 집중해 왔습니다. 그러나 암세포는 영리하여, 단일 차단책을 우회하는 방법을 찾아내는 경우가 많으며, 이는 치료 실패로 이어집니다. 이를 해결하기 위해, 연구자들은 이제 "이중 특이적(bispecific)" 항체를 구축하려고 노력하고 있습니다. 이것들은 두 개의 서로 다른 자물쇠를 동시에 붙잡을 수 있도록 설계된 공학적 분자로, 암세포의 통신 회선을 두 곳에서 동시에 마비시키는 효과가 있습니다. 이러한 접근 방식은 큰 가능성을 품고 있지만, 이 복잡한 분자들을 만드는 것은 어렵습니다. 전통적인 제조 방식에서는 항체의 부품들이 서로 뒤섞여 잘못된 조합으로 결합함으로써 쓸모없는 제품을 만들어내곤 합니다.

중앙대학교의 연구팀과 그 협력자들은 식물을 사용하여 이러한 이중 표적 열쇠를 만드는 새로운 방법을 찾아냈습니다. 그들은 특정 유방암에서 발견되는 HER2와 HER3라는 두 가지 특정한 자물쇠에 집중했습니다. 이 두 자물쇠가 힘을 합치면, 암이 성장하고 표준 치료에 저항하도록 돕는 강력한 신호를 보냅니다. 과학자들은 HER2와 HER3 모두에 동시에 결합할 수 있는 단일 항체를 만들고자 했습니다. 이를 위해 그들은 "노브 인 투 홀(Knobs-into-Holes, 돌기와 구멍)" 공학이라 불리는 방법을 사용했습니다. 두 퍼즐 조각을 맞추는 상황을 상상해 보십시오. 만약 두 조각의 모양이 같다면, 의도한 짝 대신 자기 자신과 똑같은 모양의 조각과 맞물릴 수 있습니다. 연구진은 한쪽은 튀어나온 "돌기(knob)"를 가지고 다른 한쪽은 그에 맞는 "구멍(hole)"을 갖도록 항체 부품을 수정했습니다. 이 설계는 두 종류의 서로 다른 항체 사슬이 올바르게 짝을 이루도록 강제하여, 자기들끼리 뭉치는 것을 방지합니다.

연구팀은 이 수정된 항체 부품들에 대한 유전적 지침을 흔한 토양 박테리아인 아그로박테리움(Agrobacterium)에 도입했습니다. 그런 다음 이 박테리아를 사용하여 연구에 자주 쓰이는 담배의 친척 식물인 니코티아나 벤타미아나(Nicotiana benthamiana)의 잎에 지침을 직접 전달했습니다. "일시적 발현(transient expression)"이라고 알려진 이 과정은 식물 세포가 DNA를 읽고 단백질을 생산하는 작은 공장 역할을 하도록 합니다. 연구진은 어떤 비율의 지침이 최선의 결과를 만들어내는지 확인하기 위해 두 항체 지침의 다양한 혼합 비율을 테스트했습니다. 그들은 지침을 특정 비율로 섞었을 때, 식물 세포가 복잡한 이중 표적 항체를 성공적으로 조립해 낸다는 것을 발견했습니다. 주입 후 7일째 되는 날, 단백질 생산은 정점에 도달했습니다.

식물이 실제로 올바른 항체를 만들었는지 확인하기 위해, 과학자들은 잎에서 단백질을 추출하여 분석했습니다. 그들은 단백질을 크기에 따라 분리하는 기술을 사용했는데, 이를 통해 식물이 정확히 예상된 무게를 가진 분자를 생산했음을 보여주었습니다. 이 분자는 단일 항체 부품보다는 무거웠지만, 두 개의 별개 항체가 붙어 있는 것보다는 가벼웠으며, 이는 두 종류의 서로 다른 사슬이 하나의 통합된 구조로 결합되었음을 증명했습니다. 연구팀은 이 특정 유형의 단백질에 자석처럼 작용하는 컬럼을 사용하여 식물 즙에서 항체를 정제했습니다. 최종 생성물은 깨끗하게 정제되어 테스트할 준비가 되었습니다.

연구진은 이어 이 식물 유래 항체가 실제로 제 역할을 할 수 있는지 확인했습니다. 그들은 항체를 HER2 단백질과 HER3 단백질을 포함하는 샘플과 접촉시켰습니다. 테스트 결과, 항체는 두 표적을 성공적으로 붙잡았습니다. 항체는 HER3에 강력하게 결합하고 HER2를 붙들고 있었으며, 이는 복잡한 공학적 설계에도 불구하고 분자가 두 가지 표적을 인식하는 능력을 유지하고 있음을 확인시켜 주었습니다. 항체가 왜 그렇게 잘 결합해 있는지 이해하기 위해, 팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 분자의 구조를 모델링했습니다. 이 시뮬레이션은 "돌기와 구멍" 설계가 수정되지 않은 부품들이 형성하는 연결보다 훨씬 더 안정적인 연결을 만든다는 것을 보여주었습니다. 컴퓨터 모델은 이 특정 쌍 형성이 에너지적으로 유리하다는 것, 즉 두 부분이 과학자들이 의도한 방식으로 자연스럽게 함께 머물고자 한다는 것을 시사했습니다.

이 연구는 식물이 이러한 복잡한 '두 가지 기능을 하나로 합친' 항체를 생산하는 효율적인 공장으로 사용될 수 있음을 입증합니다. "노브 인 투 홀" 전략과 식물 기반 생산을 결 der, 연구진은 부품이 잘못 섞이는 일반적인 문제를 우회할 수 있었습니다. 결과는 이 방법이 동물 세포에서 만들어지는 것보다 더 효과적이고 잠재적으로 더 저렴하게 생산할 수 있는 새로운 암 치료제를 만드는 실행 가능한 경로가 될 수 있음을 시사합니다. 이 작업은 식물 시스템이 이중 특이적 항체를 조립하는 복잡한 과업을 수행할 수 있음을 확인하며, 식물 유래 의약품의 향후 발전을 위한 문을 열어줍니다.