노벨상
노벨상 성과에 투자하기: 새로운 화학·의료 도구를 만드는 유도 진화
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
노벨상 역사
노벨상은 과학과 인문 분야에서 널리 인정받는 상입니다. 알프레드 노벨의 유언 에 따라 인류에게 가장 큰 공헌을 한 사람에게 물리학, 화학, 생리의학, 문학, 평화 분야의 상을 수여하도록 설립됐습니다. 경제학상은 나중에 스웨덴 중앙은행이 노벨을 기념해 제정한 별도 기원의 상입니다.
과학상과 문학상은 스웨덴의 기관들이 선정하지만, 평화상은 노르웨이 노벨위원회가 선정합니다.
유산에 대한 우려
노벨이 형제의 죽음을 자신의 사망으로 오인한 부고를 읽고 유산을 고민했다는 이야기가 전해집니다. “죽음의 상인 사망”이라는 문구로 알려진 이 일화가 노벨상 제정의 유일하고 확정적인 원인이었다고 단정하기는 어렵습니다.
노벨은 다이너마이트와 무연화약 발리스타이트 등을 개발했고, 보포르스 사업에도 관여했습니다. 다이너마이트 자체가 무연화약인 것은 아닙니다. 그의 발명은 산업과 군사 양쪽에 영향을 주었습니다.
노벨상
노벨이 남긴 재산은 노벨재단의 운용 기반이 됐습니다. 수상자에게는 메달, 증서, 상금이 주어집니다. 2024년 상금은 각 상에 총 1,100만 스웨덴크로나였으며, 공동 수상 시 규정에 따라 나뉩니다.
출처: Britannica
과학상은 하나의 발견에 함께 또는 독립적으로 기여한 두세 명이 공동 수상하는 경우가 많습니다.
노벨상은 이론적 발견과 실용적 성과 모두를 기려 왔습니다. 예를 들면 방사능, 항생제, X-레이, PCR 등이 있으며, 기초과학에서는 태양의 에너지 원천, 전자 전하, 원자핵의 껍질 구조, 초유동성 같은 연구도 포함됩니다.
연구 도구로 활용하는 진화
1859년 찰스 다윈의 『종의 기원』은 자연선택을 통한 진화의 설명을 널리 알렸습니다. 생물 집단의 유전적 특성이 세대를 거치며 달라진다는 개념은 현대 생물학의 중심이 됐습니다.
진화에는 생존 차이뿐 아니라 다양한 과정이 작용합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
돌연변이는 필요한 결과를 미리 알고 생기는 것이 아닙니다. 자연선택은 특정 환경에서 번식에 유리한 변이를 늘릴 수 있지만, 유전적 부동이나 유전자 흐름 등도 집단을 바꿉니다. 모든 변화가 유익한 변이의 선택만으로 설명되지는 않습니다.
사람은 진화 이론을 알기 전부터 원하는 형질을 가진 작물과 가축을 골라 번식시켰습니다. 이런 인위선택은 식량 생산과 가축화에 중요한 역할을 했습니다.
그 과정은 처음에는 경험과 관찰에 의존했습니다. 현대의 유전학과 실험 기술은 선택과 변이를 더 체계적으로 활용할 수 있게 했습니다.
출처: Cell
진화는 병원체에도 일어납니다. 변이와 선택은 면역 회피나 약물 내성에 영향을 줄 수 있으며, 세균에서는 수평적 유전자 전달도 중요합니다. 항생제를 쓰면 개별 세균이 목적을 가지고 점점 강해진다는 뜻은 아닙니다.
이 원리를 실험 도구로 발전시킨 연구자들은 2018년 노벨화학상을 받았습니다.
프랜시스 H. 아널드는 효소의 유도 진화 연구로 상금의 절반을 받았습니다. 나머지 절반은 조지 P. 스미스 와 그레고리 P. 윈터 에게 단백질과 항체의 파지 디스플레이 연구로 공동 수여됐습니다.
출처: Nobel Prize
효소의 힘
생명을 유지하는 많은 생화학 반응은 효소가 촉진합니다. 대부분의 효소는 단백질이지만, 촉매 기능이 있는 RNA도 있습니다.
효소의 입체구조와 활성 부위는 반응의 활성화 장벽을 낮춥니다. 일부는 금속 보조인자를 쓰지만, 모두 희귀금속을 포함하는 것은 아닙니다. 이러한 촉매 작용 은 반응 속도를 높이며 열역학적으로 불가능한 반응을 저절로 가능하게 만들지는 않습니다.
출처: Ducksters
일부 미생물은 질소고정효소를 이용해 대기 질소를 암모니아로 바꾸는 질소 고정 을 수행합니다.
산업의 하버-보슈 공정은 높은 온도와 압력, 에너지 및 촉매를 사용합니다. 생물학적 질소 고정 역시 에너지와 전자 공급이 필요합니다.
효소는 온화한 조건에서 선택적으로 반응을 진행할 수 있어 오랫동안 산업에 이용돼 왔습니다.
처음에는 효모 같은 미생물의 발효를 활용했고, 이후에는 분리한 효소도 이용했습니다. 아널드는 자연 효소를 산업 조건에 맞게 개선하는 방법을 연구했습니다.
진화를 이용해 새로운 효소 만들기
초기 연구 대상은 세제와 식품 처리 등에 쓰이는 단백질분해효소 서브틸리신이었습니다. 자연 상태의 수용액 조건과 달리, 단백질 기능을 약화시킬 수 있는 유기용매 디메틸포름아마이드(DMF)에서도 작동하도록 만드는 것이 목표였습니다.
아널드 연구팀은 효소 유전자에 변이를 만들어 여러 후보를 생산하고, 세균에서 발현시킨 뒤 DMF가 포함된 조건에서 활성을 비교했습니다. 좋은 후보를 고르고 다시 변이를 만드는 과정을 반복했습니다.
몇 차례의 변이와 선별을 거치며, 효소는 DMF가 있는 조건에서도 더 높은 활성 을 보였습니다. 이것을 물보다 DMF에서 언제나 더 잘 작동한다는 주장과 혼동해서는 안 됩니다.
세 차례의 실험적 진화 후 얻은 변이는 60% DMF 조건에서 원래 효소보다 256배 높은 활성 을 보였습니다. 비교 대상과 용매 농도가 이 수치의 의미를 결정합니다.
출처: Nobel Prize
어떤 변이 조합이 이런 결과를 낼지 미리 정확히 예측하기는 어려웠습니다. 실험적 선별은 많은 후보를 체계적으로 비교할 수 있게 했습니다.
이 접근은 의약품, 화학제품과 생물학적 생산에 쓰이는 효소를 개선하는 중요한 생명공학 도구가 됐습니다.
새로운 효소 촉매 만들기
아널드 연구팀은 기존 반응의 개선뿐 아니라, 자연 효소가 원래 주로 수행하지 않던 반응도 탐색했습니다. 유도 진화로 개선하려면 먼저 측정할 수 있는 작은 초기 활성이 필요합니다.
이를 위해 새로운 반응을 수행할 가능성이 있는 효소와 변이체를 찾아 시험했습니다.
목표 반응을 약하게라도 촉진하는 다기능성 효소를 찾으면, 변이와 선택을 반복해 그 활성을 높일 수 있습니다.
출처: Nobel Prize
새로운 생화학
이후 연구는 생물이 일반적으로 만들지 않는 결합을 효소로 생성하는 데까지 확장됐습니다.
Rhodothermus marinus의 시토크롬 c는 처음에는 낮은 수준으로 탄소-규소 결합을 촉진했습니다. 연구팀은 이를 출발점으로 개선했습니다.
유기규소 화합물은 합성화학과 여러 산업에 유용하지만, 자연 생물의 대사에서 탄소-규소 결합 형성은 일반적이지 않습니다. 이 연구는 규소 기반 생명체를 만든 것이 아닙니다.
유도 진화 후 효소는 초기 단백질보다 약 40배 높은 활성을 보였고, 특정 비교 조건에서 알려진 비효소 촉매보다 약 15배 높은 전환수를 기록했습니다. 이는 모든 반응이나 촉매에 적용되는 보편적 우위가 아닙니다.
효소는 서로 거울상인 두 분자인 엔안티오머 가운데 한쪽을 선택적으로 만드는 데도 이용될 수 있습니다.
유도 진화 효소의 장점
원하는 엔안티오머를 선택적으로 생산하면 불필요한 부산물과 분리 공정을 줄일 수 있습니다.
효소 공정은 일부 금속 촉매나 유기용매 사용을 줄일 가능성이 있지만, 모든 효소가 금속 없이 작동하거나 모든 공정이 무독성인 것은 아닙니다.
유전 연구 촉진
1980년대에는 단백질과 그것을 만드는 유전자를 연결해 알아내는 기술도 발전했습니다.
당시 알려진 단백질에 대응하는 유전자를 찾는 일은 쉽지 않았습니다. 인간 유전체의 대규모 해독은 2000년대 초에 이뤄졌지만, 그 이전에도 개별 유전자 연구는 활발했습니다.
스미스는 세균을 감염시키는 바이러스인 박테리오파지를 이용했습니다.
외래 유전자 조각을 파지의 외피 단백질 유전자와 연결하면, 해당 단백질 조각을 파지 표면에 제시할 수 있습니다.
출처: Nobel Prize
항체로 원하는 단백질을 제시하는 파지를 골라내면, 그 파지 안에 있는 유전정보도 함께 얻을 수 있습니다. 단백질의 특성과 이를 만드는 DNA가 연결되는 것입니다.
이 기술을 파지 디스플레이라고 합니다. 스미스는 1985년 이를 발표했습니다.
파지 디스플레이는 단백질 선별과 상호작용 연구에 중요한 도구가 됐습니다. 윈터는 이를 치료용 항체 개발로 확장했습니다.
항체 진화
면역계에서도 변이와 선택이 항체의 다양성과 결합력에 기여합니다.
유전자 재배열과 체세포 과변이 등으로 다양한 항체가 만들어집니다. 자기 조직에 강하게 반응하는 세포를 억제하는 관용 기전도 있지만 완벽하지는 않습니다. 다양성이 크다고 모든 병원체에 항상 효과적인 항체가 있다는 뜻은 아닙니다.
항원에 잘 결합하는 B세포가 선택되고 증식하면서 항체 반응이 강화됩니다. 초기 항체 치료 연구에서는 생쥐에 항원을 투여해 얻은 항체도 활용했습니다.
하지만 생쥐 유래 항체는 사람에게 면역반응을 일으킬 수 있어 반복 치료 등에 한계가 있었습니다.
파지 디스플레이와 유도 진화의 결합
윈터는 스미스의 파지 디스플레이 기법을 항체에 적용했습니다.
항체의 결합 부위를 파지 표면에 제시하고, 다양한 항체 조각을 담은 큰 라이브러리를 만들었습니다.
표적 단백질에 어느 정도 결합하는 후보를 선택한 다음 서열을 바꾸어 새 라이브러리를 만들었습니다.
더 강하게 결합하는 후보를 고르는 과정을 반복하면 높은 친화도의 항체 조각을 얻을 수 있습니다.
1990년대에는 이런 접근으로 사람 항체 조각을 선별하고 암 관련 표적 등에 특이적으로 결합하는 후보를 개발했습니다.
새로운 치료 옵션
윈터는 Cambridge Antibody Technology의 설립에 참여해 기술을 치료제 개발로 연결했습니다.
파지 디스플레이를 활용해 개발된 완전 인간 항체 아달리무맙은 2002년 미국에서 Humira로 승인됐습니다. 당시 판매사는 Abbott였고, 2013년 분사한 AbbVie (ABBV )가 이후 사업을 이어갔습니다. TNF-α를 억제하며 류머티즘관절염, 건선, 염증성 장질환 등에 사용됩니다.
Humira는 2021년 AbbVie에 약 207억 달러의 매출 을 안겼습니다. 이후 바이오시밀러 경쟁이 확대되면서 매출이 감소했습니다 . 바이오시밀러는 생물학적 제제의 고도 유사 제품으로, 일반 화학약의 제네릭과 완전히 같지는 않습니다. Cambridge Antibody Technology는 2006년 약 7억200만 파운드에 AstraZeneca (AZN )에 인수됐습니다.
파지 디스플레이는 염증질환, 독소 중화, 자가면역질환과 암 등 다양한 표적에 결합하는 항체 후보 개발에 사용됩니다.
유도 진화 관련 기업에 투자하기
파지 디스플레이로 개발한 항체와 효소 촉매는 중요한 상업적 응용입니다. 파지 디스플레이는 세균 감염을 파지로 치료하는 파지 치료와 다른 기술입니다.
관련 주식 거래에 이용할 증권사 정보는 securities.io 에서 미국, 캐나다, 호주, 영국, 등 여러 나라별로 확인할 수 있습니다 .
개별 기업 외에 바이오 관련 ETF도 있습니다. 예를 들면 WisdomTree BioRevolution UCITS ETF (WBIO) , VanEck Biotech ETF (BBH) , 또는 First Trust NYSE Arca Biotechnology Index Fund (FBT) 등입니다. 각 펀드의 구성과 위험은 다르며, 분산투자가 손실을 막아 주지는 않습니다.
효소 및 항체 기업
1. Codexis
CDXS 가격 차트
Codexis는 화학반응을 촉진하는 효소에 집중합니다. 효소는 반응 속도를 높이고 조건을 완화할 수 있지만, 열역학적으로 불가능한 반응을 저절로 가능하게 하지는 않습니다.
일부 기존 화학공정을 효소 기반 공정으로 대체하거나 개선하는 것이 목표입니다.
실험, 계산과 머신러닝을 이용해 효소의 생산성, 선택성, 안정성 또는 발현량을 개선하는 후보를 설계합니다.
후보는 유도 진화를 활용하는 CodeEvolver 플랫폼 을 통해 선별하고 개선합니다.
출처: Nature
이렇게 개발한 효소를 제약사와 산업 고객에게 공급하거나 관련 기술을 라이선스할 수 있습니다.
과거 자료는 다음 세 분야를 제시했지만, 2024년에는 사업 방향이 바뀌었습니다.
- 바이오치료제: 24개 후보라는 수치는 과거 연구 자료의 숫자입니다. Codexis는 2023년 자체 바이오치료제 개발 중단을 결정했습니다.
- 생명과학 연구: 유전체학과 DNA·RNA 합성 등에 쓰이는 효소.
- 제약 제조: 기존 생산공정의 효율 개선 등.
2024년에는 RNA 생산용 ECOSynthesis 플랫폼 개발과 제약 제조 효소가 중요해졌습니다. 인용 자료의 승인 siRNA 치료제 6개, 개발 중 RNAi 자산 450개 이상, 2·3상 42개라는 숫자는 당시 시장 조사 범위와 날짜에 따른 값이며, Codexis 자체 후보 수가 아닙니다.
출처: Codexis
효소 사업이 매출의 대부분을 차지해 왔습니다. 약 90%라는 과거 비율을 현재의 고정 비중으로 볼 수는 없으며, 중견·대형 제약사와의 관계 및 신규 플랫폼의 상업화를 함께 평가해야 합니다.
2. Ginkgo Bioworks
DNA 가격 차트
Ginkgo Bioworks는 의약, 산업, 소재 등 특정 용도에 맞는 생물학적 시스템과 미생물을 설계하는 서비스를 제공합니다.
생물보안 사업도 있으며, 팬데믹 기간 수요가 크게 늘었습니다.
유전공학, 실험적 선별, 자동화와 계산 도구를 사용합니다. 모든 프로젝트가 같은 방식의 유도 진화를 쓰는 것은 아닙니다.
Ginkgo Bioworks (DNA )의 연구와 협업 분야에는 다음이 포함됩니다.
- 칸나비노이드
- mRNA 백신 생산 및 핵산 의약품
- 식품 단백질
- 바이엘과의 파트너십을 통한 생물학적 비료 생산
- 장 질환을 위한 프로그래머블 미생물
- 미세플라스틱 사용을 줄이는 바이오 기반 대체 소재
- 생물보안 및 병원체 탐지
- 폐기물 및 오염 물질 재활용
개발 서비스 수수료, 조건부 마일스톤, 로열티 등 계약별 방식으로 수익을 얻을 수 있습니다. 모든 프로그램이 판매 제품이나 로열티로 이어지는 것은 아닙니다.
발표된 협업에는 다음이 있습니다.
- Novo Nordisk와의 파트너십 확대.
- 일본 무역회사 Sojitz Corporation과의 파트너십.
- DARPA 자금 지원: 극한 저온 환경에서 얼음을 제어하는 새로운 단백질.
- Pfizer와의 계약: 조건부 마일스톤 등을 포함해 최대 약 3억3,100만 달러의 잠재 가치.
- Merck와의 바이오의약품 제조 최적화 계약: 최대 약 4억9,000만 달러의 잠재 가치.
- Boehringer Ingelheim과의 치료 표적 연구 계약: 최대 약 4억600만 달러의 잠재 가치. 이 최대 금액은 이미 받은 매출이 아닙니다.
농업과 관련 산업의 협업 대상으로 Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta 등이 언급됩니다. 범위와 단계는 프로젝트마다 다릅니다.
출처: Ginkgo Bioworks
유전자 설계, 생물학적 선별과 생물보안 경험은 여러 산업에 활용될 수 있습니다. 다만 모든 효소나 항체 프로젝트에 반드시 필요한 공급자라는 뜻은 아닙니다.
합성생물학 시장의 성장은 기회가 될 수 있지만, 사업 성과는 고객 수요, 비용, 실행과 연구 성공에 달려 있습니다.
