코로나 19 (SARS-CoV-2) 바이러스의 심장부를 확인하다.

(Overlapping X-ray data of the SARS-CoV-2 main protease shows structural differences between the protein at room temperature (orange) and the cryogenically frozen structure (white). Credit: Jill Hemman/ORNL, U.S. Dept. of Energy)

(SARS-CoV-2 protease crystals, grown in ORNL's Protein Crystallization and Characterization laboratory and pictured in microscopic view, will be used in X-ray scattering experiments. Credit: Daniel Kneller/ORNL, U.S. Dept. of Energy)

(The protease protein is both shaped like a heart and functions as one, allowing the virus to replicate and spread. Inhibiting the protease would block virus reproduction. Credit: Credit: Andrey Kovalevsky/ORNL, U.S. Dept. of Energy)

 미국 에너지부 산하의 오크 릿지 연구소 및 아르곤 국립 연구소(Department of Energy's Oak Ridge and Argonne national laboratories)의 과학자들이 코로나 19를 일으키는 SARS-CoV-2의 중요한 효소의 구조를 X선을 통해 확인했습니다. 코로나바이러스는 사람 세포로 침투한 후 세포 내 자원을 이용해 바이러스 복제에 필요한 단백질과 RNA를 합성합니다. 바이러스의 유전 정보는 일단 한 번에 통으로 복사된 후 프로테아제 (단백질 분해효소)에 의해 쪼개져 바이러스 복사에 필요한 단백질이 됩니다. 따라서 프로테아제를 차단하면 바이러스 증식을 억제할 수 있습니다. 

 오크 릿지 국립 연구소의 안드레이 코발레프스키(ORNL's Andrey Kovalevsky)가 이끄는 연구팀은 상온에서 X선을 이용해 SARS-CoV-2의 프로테아제의 3차원적 구조를 확인했습니다. X선을 이용해 분자의 구조를 확인하는 것은 이런 연구에서 흔한 일이지만, 이번 연구의 핵심은 일반적으로 X선 연구에 활용되는 100K 정도의 저온이 아니라 상온에서 단백질 결정을 키워 X선 이미지를 확인했다는 것입니다. 바이러스가 실제로 증식하는 온도에서 프로테아제 구조를 확인했다는 데서 큰 의미가 있습니다. 

 이렇게 확인된 바이러스 프로테아제는 발렌타인 하트 모양으로 연구팀은 저온 냉동 상태와 상온 상태의 차이점을 쉽게 확인할 수 있었습니다. 그 다음 중요한 부분은 이 프로테아제에 결합해 작동을 방해할 수 있는 약물을 찾거나 개발하는 일입니다. 연구팀은 현재 슈퍼컴퓨터 서밋을 이용해 이 작업을 진행하고 있습니다. 

 하지만 이번 연구만으로 바이러스 프로테아제의 모든 모습을 확인한 것은 아닙니다. 연구팀은 오크 릿지 국립 연구소의 High Flux Isotope Reactor와 Spallation Neutron Source를 이용해 중성자 산란 (neutron scattering) 효과를 통해 프로테아제의 3차원적 모습과 다른 분자와의 상호 작용을 연구할 예정입니다. 중성자 산란을 통해 수소 원자의 반응을 예측하면 프로테아제와 더 잘 결합하는 분자를 예측할 수 있습니다. 

 현재 코로나 19 치료제로 승인된 렘데시비르는 앞서 설명한 것처럼 RNA 의존 RNA 중합효소 (RNA-dependent RNA polymerase (RdRp))를 차단합니다. 현재 개발 중인 돌기 단백질 차단제에 이어 앞으로 프로테아제 차단제를 개발하면 서로 기전이 다른 약물의 병합 요법을 통해 치료 성적을 더 끌어올릴 수 있을 것으로 기대합니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2020-06-x-rays-size-protein-heart-covid-.html

Daniel W. Kneller et al, Structural plasticity of SARS-CoV-2 3CL Mpro active site cavity revealed by room temperature X-ray crystallography, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-16954-7