2015년 사이언스지가 유전자가위를 '올해의 혁신 기술'에 선정하며 전세계가 떠들썩했다. 유전자변이로 발생한 암이나 혈우병, 에이즈까지 문제되는 부분의 DNA만 자르거나 치료용 DNA를 주입하면 치료가 가능할 것이란 기대를 가지게 했다.

현재 유전자가위는 대표적으로 1세대(징크핑거뉴클레이즈, ZFN)와 2세대(탈렌, TALEN), 3세대(크리스퍼/캐스9, CRISPR/CAS9)로 구분된다. 그리고 국내 바이오벤처 툴젠은 1·2·3세대를 모두 자체 개발하며 글로벌과 경쟁하고 있다.

너무나 '혁신적'인 기술이기 때문에 시장성이나 산업 전망도 크다. 유전자가위 그 자체로 우리 삶 또는 산업에 어떠한 변화가 생길지 현재는 예측하기 어렵다. 어쩌면 제약산업에 '변이'일 수도 있다.

툴젠은 최근 유전자가위 플랫폼 연구소와 치료제 연구소를 분리했다. 플랫폼 연구소는 유전자가위 자체를 연구하고, 치료제 연구소는 사람의 질병을 치료하는 유전자가위를 만든다. 데일리팜은 올해 툴젠에 합류한 치료제연구소장 이정민 박사를 만나 유전가위가 어떠한 기술인지, 어디까지 확대될 수 있을지 이야기를 들어봤다.


2015년 사이언스지 선정 '올해의 혁신 기술'…툴젠 1·2·3세대 모두 개발

"유전자가위는 두 가지 방식입니다. 불량 유전자를 제거하거나, 치료 유전자를 넣어주는 것이죠. 그런데 하얀색 구슬 사이에 끼어진 검은색 구슬을 빼려면 어떻게 해야 할까요. 유전자가위는 우리가 원하는 검은 구슬만 자르고 하얀 구슬을 넣어주는 기술입니다."

사람의 유전체는 약 2만5000개의 유전자를 가지며 3000개 이상의 유전질환이 있는 것으로 알려진다. 특정 유전변이로 질환이 생겼다면 유전자가위로 그 부분만 잘라 치료하거나, 유전자가위에 치료용 작은 DNA 조각을 합쳐주면 유전자가위가 잘라낸 부위에 치료용 유전자가 끼어들어가면서 치료하게 된다.

이때 특정 변이 부위를 찾아가는 가이드RNA(크리스퍼)와 가위(캐스9 단백질)를 활용하는데 바로 크리스퍼/캐스9 유전자가위다. 사람의 DNA는 A, T, G, C 총 4개의 염기로 이루어진다. A는 T와, G는 C하고만 결합할 수 있다. 예로 어떤 DNA 염기서열이 AAA라면 가이드RNA가 TTT가 되어야 결합이 가능하다. 이때 가이드를 따라온 캐스9이 문제 부위를 잘라내는 것이다.

3세대 크리스퍼/캐스9은 1·2세대와 비교해 안전하고 저렴하고 쉬운 설계가 장점이다. 절단 성공률이 최대 90%이며, 1일이면 설계가 가능하다고 알려졌다. 가격은 30달러 정도다. 이 박사는 "압도적인 사용의 편리성이 있다"고 말했다. 툴젠의 크리스퍼는 여기에 AAB(아데노바이러스)를 매개체로 사용한다. AAB는 인체 내 전달이 쉬운 바이러스로 미FDA 승인과 유럽 시판 승인을 받아 안전성이 검증됐다.


크리스퍼를 주력으로 하는 툴젠의 유전자가위 치료 프로그램은 ▲항암면역세포(엑스비보) ▲안과질환(인비보) ▲신경질환(인비보) ▲혈우병(인비보) 치료제가 대표적이다. 이 박사는 "몸 밖에서 크리스퍼를 이용해 우리가 원하는 치료용 세포를 만든 뒤 다시 체내에 주입하는 방식은 엑스비보이며, 눈이나 신경처럼 직접 체내에 유전자가위를 넣는 방식은 인비보다. 눈이나 간 등 특정 부위로 가는 대표적 바이러스를 활용해 DNA까지 이동시킬 수 있다"고 설명했다.

예로 엑스비보 방식 면악항암세포 치료제는 유전자가위로 T-면역세포에 있는 암세포의 분비물과 닿으면 기능이 약화되는 관련 유전자를 잘라내 면역 기능을 강화하는 것이다. 인비보 방식은 특정 유전자 변형 치료에 사용된다. DNA 이상으로 망막형성이 제대로 안 되는 질환은 변이 부분을 자르고 정상 유전자를 넣는 것이다. 우리가 원하는 부위만 좀더 정확히 자르고, 사용 편리성을 높인 게 3세대 크리스퍼 가위다.

툴젠은 올해 2월 작은 크기의 유전자가위를 개발해 AAB 바이러스에 실리는 가위의 전달 효율성을 높였다. 이처럼 유전자가위는 지속적으로 개량되고 있다. 동·식물 분야에서도 성과를 내고 있다. 일반 콩의 유전자를 개량해 올리브유 주성분이 많이 함유되도록 품질을 개량한 제품도 만들었다.

"크리스퍼/캐스9이라는 플랫폼을 기반으로 치료제를 개발하고 동·식물로 응용하고 유전자가위를 훨씬 더 효율적이고 안정적인 형태로 계속 개량하고 있습니다. 아직 4세대는 안 나왔지만 언젠가 툴젠이 개발 할 수도 있지 않을까요."


유전자가위에 대한 기대, 3세대 크리스퍼의 가치와 특허분쟁

전세계에서 유전자가위를 사용하는 대표적 회사는 6개 정도로 꼽을 수 있다. 에디타스, 인텔리아, 크리스퍼 테라퓨틱스, 상가모, 셀렉티스, 툴젠이다. 이중 상가모(징크핑거)와 셀렉티스(탈렌)를 제외한 네 회사가 크리스퍼를 개발하고 있다. 1·2세대와 달리 3세대는 약 5년간의 짧은 연구개발 역사에도 시장의 기대가 크다.

한국바이오경제연구센터의 2016년 자료에 따르면 에디타스 , 인텔리아, 크리스퍼 테라퓨틱스는 제품 없이 크리스퍼 기술만으로 시총이 1조원을 향해 가고 있다. 툴젠도 그동안 10억원대 유상증자를 했지만 지난해 100억원대 투자를 받으면서 그 규모가 달라졌다.

크리스퍼에 대한 가치와 잠재력을 투자자들이 알아보기 시작했다는 이 박사의 설명이다. 다만 누가 먼저 개발하고 특허를 내느냐가 쟁점이 되고 있다. 그는 "전세계 회사와 비교해 툴젠의 경쟁력은 뒤지지 않는다"며 "3세대는 (여러곳에서)동시다발적으로 개발돼 특허상황이 복잡하다. 시장성이 큰 만큼 특허는 매우 중요하다"고 강조했다.

툴젠은 36명의 사내 인원 중 변호사만 3명이다. 국내 변호사 1명, 미국 변호사 2명으로 국내 바이오벤처로서는 드문 숫자다. 이 박사는 "수동적으로는 원천특허를 보호하기 위한 것이며, 능동적으로 크리스퍼 유전자가위 치료제 개발이나 개량된 유전자가위 플랫폼 특허를 등록 및 출원하고 있다"고 설명했다.


툴젠의 크리스퍼 원천 특허는 한국에서 등록되었으며, 호주에서 특허 승인, 전세계 여러 국가에서 등록 심사 중이다. 노인성 황반변성, 샤르코 마리투스 질환, 항암면역세포 치료제에 대한 유전자가위 특허를 가지고 있으며 대부분 동물실험 단계에 와 있다. 내년 이 연구결과를 기반으로 전임상 단계에 진입한다는 목표를 세우고 있다. 해외 다국적사에서는 공동으로 해 볼만 한 게 없냐는 연락도 많이 오고 있다.

무엇보다 특정 질환의 유전변이 상관관계만 밝혀지면 유전자가위의 좋은 타깃이 될 수 있다. 최근 이슈인 정밀의료에 유전자가위가 적합하며, 혁신기술로 불리는 이유가 여기에 있다. 이 박사는 "유전자 가위가 만능이 될 수는 없지만, 분명한 것은 유전변이가 일어난 질환에 대해선 확실한 대안이 될 수 있다. 빅데이터로부터 얻어지는 정보가 많아질수록 유전자가위 활용은 늘어날 것"이라고 말했다.