[밸류체인타임스=한정민 인재기자] 단백질의약품은 사람이나 다른 생물체에서 유래된 물질을 원료로 삼아 제조한 의약품이다. 단백질의약품을 상품화하기 위해서 개발자들은 단백질의약품의 특성 연구와 엔지니어링을 수행한다.
단백질 치료제의 특성은 표적성이 높은 구조를 만들기 위한 전략을 포함하며, 이들은 타겟 물질과의 친화력, 생체 내 안정성 및 약동학을 높이기 위해 단백질의약품을 엔지니어링한다. 또한 세포 투과성 향상, 면역원성 감소를 위한 디자인도 진행된다.
(출처 : Engineering protein-based therapeutics through structural and chemical design(1))
단백질 의약품은 변성(Denaturation), 분해(Degradation), 응집(Aggregation)이 발생할 수 있으며, 안정성과 용해성을 향상시키기 위해 구조 기반 엔지니어링이 필요하다. 대표적인 방법으로는 단백질을 돌연변이, 항체-약물 융합(Antibody-Drug conjugates), 페길레이션(PEGylation), Fc 융합 단백질(Fc Fused Protein), 다른 단백질(예: 알부민)과의 융합(Fusion to Other Proteins), 글라이코실레이션(Glycosylation), 지질화(Lipidation), 그리고 AI를 이용한 안정한 단백질 컴퓨테이셔널 디자인(Computational Design) 방법 등이 있다.(1)
돌연변이 엔지니어링을 통한 지속 가능성 향상 단백질 의약품
(출처 : wikimedia)
단백질의약품 중 돌연변이를 통해 안정성 및 용해성을 향상시킨 제품의 예로는 인슐린 글라진(Insulin Glargine), 인슐린 리스프로(Insulin Lispro), 인슐린 아스팔트(Insulin Aspart), 인슐린 글루리신(Insulin Glulisine) 등이 있다. (2)(3)
(출처 : Insulin and its analogues and their affinities for the IGF1 receptor(2))
인슐린 글라진(Insulin Glargine)은 Chain A의 아스파라긴(Asparagine, Asn) 21 아미노산을 글라이신(Glycine, Gly)으로 돌연변이시키고, Chain B의 C terminal 부분에 아르기닌(Arginine, Arg) 31과 32를 추가한 변형체다. 그 결과, 인슐린 글라진의 등전점은 7이 된다.
등전점이 7일 때, 완충용액을 pH 4로 산성화하여 단백질을 안정화한다. 몸 속 pH는 약 7.4로, 단백질의 등전점과 몸 속의 pH가 같을 경우 단백질은 파괴될 수 있다. 인슐린 글라진의 경우, 완충용액의 pH를 낮춰 단백질을 안정하게 유지하고, 몸 속에 들어가면 pH가 증가하면서 인슐린의 작용 지속시간을 증가시킨다.
돌연변이 엔지니어링을 이용하여 흡수력을 높인 단백질 의약품
일반적으로 인슐린은 이량체(Dimer) 또는 복합체(Multimer)가 형성하여 단백질 의약품의 흡수성과 용해성을 감소시킨다. 이를 방지하기 위해 이량체(Dimer) 또는 복합체(Multimer)가 형성되는 부위인 타이로신 (Tyrosine, Tyr) 26~트레오닌(Threonine,Thr) 3을 돌연변이시켜 다량체 형성을 억제한다.
인슐린 리스프로(Insulin Lispro)는 이량체(Dimer) 결합 부위를 돌연변이(mutation)시킨 물질이다. Chain B의 프롤린(Proline, Pro) 28과 라이신(Lysine, Lys)을 각각 라이신(Lysine, Lys)와 프롤린(Proline, Pro)으로 돌연변이시켜, 복합체 구조가 형성되는 것을 줄였다.
인슐린 아스팔트(Insulin Aspart)는 Chain B의 프롤린(Proline,Pro) 28을 아스파르트산(Aspartic acid, Asp)으로 돌연변이시켰다. 아스파르트산(Aspartic acid, Asp)이 음전하(negative charge)를 띄므로, 전체적인 인슐린 단백질 표면이 음전하를 가지게 되어 다량체를 형성하다가 단량체와 이량체로 나뉘는 분해력이 높아진다.
인슐린 글루리신(Insulin Glulisine) 역시 Chain B의 라이신(Lysine, Lys) 29를 글루탐산(Glutamic acid, Glu)으로 돌연변이시켜 다량체 형성을 억제한다. 또한 Chain B의 아스파라긴(Asparagine, Asn) 3을 라이신(Lysine, Lys)으로 돌연변이시켜 등전점을 5.5에서 5.1로 낮춰 용해성을 높였다.
돌연변이 엔지니어링을 통한 안전성 및 활성 향상 단백질 의약품은 신장세포암 치료제인 프로류킨 주(Proleukin®, 알데스류킨(Aldesleukin)), 다발성경화증치료제인 베타세론 주(Betaseron®, 인터페론 베타-1b(Interferon β1b)), 호중구감소증 치료제인 뉴라스타 주(Neulasta®, 페그필그라스팀(Pegfilgrastim))이 있다.
해당 의약품은 자연 상태에서 단백질 내에 이황화결합(Disulfide Bond)을 이루지 않고 남아 있는 시스테인(Cysteine)을 세린(Serine)으로 돌연변이시켜 비정상적인 이황화결합 형성을 막고 안정성을 높였다.
해당 의약품은 자연 상태에서 단백질 내에 이황화결합(Disulfide Bond)을 이루지 않고 남아 있는 시스테인(Cysteine)을 세린(Serine)으로 돌연변이시켜 비정상적인 이황화결합 형성을 막고 안정성을 높였다.
(출처 ; Rational design and engineering of therapeutic proteins(3))
단백질 엔지니어링은 ▲구조 분석, ▲2차 수소결합, ▲정전기적 상호작용 분석, ▲잔류 시스테인, ▲아미노산 추가, ▲돌연변이를 통해 등전점을 변화시키고, 이로 인해 안정성과 용해도를 증가시켜, 바이오 의약품이 안정적으로 유지되고 효과적으로 체내에서 작용할 수 있도록 디자인한다.
참고자료
(1) Ebrahimi SB, Samanta D.,Engineering protein-based therapeutics through structural and chemical design, Nat Commun. 2023 Apr 27;14(1):2411. doi: 10.1038/s41467-023-38039-x.
(2) Varewijck AJ, et al., Insulin and its analogues and their affinities for the IGF1 receptor., 2012 Sep 5;19(5):F63-75. doi: 10.1530/ERC-12-0026. Print 2012 Oct.
(3) Marshall SA, et al., Rational design and engineering of therapeutic proteins., . 2003 Mar 1;8(5):212-21. doi: 10.1016/s1359-6446(03)02610-2.
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[밸류체인타임스 = 한정민 인재기자]
[밸류체인타임스=한정민 인재기자] 단백질의약품은 사람이나 다른 생물체에서 유래된 물질을 원료로 삼아 제조한 의약품이다. 단백질의약품을 상품화하기 위해서 개발자들은 단백질의약품의 특성 연구와 엔지니어링을 수행한다.
단백질 치료제의 특성은 표적성이 높은 구조를 만들기 위한 전략을 포함하며, 이들은 타겟 물질과의 친화력, 생체 내 안정성 및 약동학을 높이기 위해 단백질의약품을 엔지니어링한다. 또한 세포 투과성 향상, 면역원성 감소를 위한 디자인도 진행된다.
(출처 : Engineering protein-based therapeutics through structural and chemical design(1))
단백질 의약품은 변성(Denaturation), 분해(Degradation), 응집(Aggregation)이 발생할 수 있으며, 안정성과 용해성을 향상시키기 위해 구조 기반 엔지니어링이 필요하다. 대표적인 방법으로는 단백질을 돌연변이, 항체-약물 융합(Antibody-Drug conjugates), 페길레이션(PEGylation), Fc 융합 단백질(Fc Fused Protein), 다른 단백질(예: 알부민)과의 융합(Fusion to Other Proteins), 글라이코실레이션(Glycosylation), 지질화(Lipidation), 그리고 AI를 이용한 안정한 단백질 컴퓨테이셔널 디자인(Computational Design) 방법 등이 있다.(1)
돌연변이 엔지니어링을 통한 지속 가능성 향상 단백질 의약품
(출처 : wikimedia)
단백질의약품 중 돌연변이를 통해 안정성 및 용해성을 향상시킨 제품의 예로는 인슐린 글라진(Insulin Glargine), 인슐린 리스프로(Insulin Lispro), 인슐린 아스팔트(Insulin Aspart), 인슐린 글루리신(Insulin Glulisine) 등이 있다. (2)(3)
(출처 : Insulin and its analogues and their affinities for the IGF1 receptor(2))
인슐린 글라진(Insulin Glargine)은 Chain A의 아스파라긴(Asparagine, Asn) 21 아미노산을 글라이신(Glycine, Gly)으로 돌연변이시키고, Chain B의 C terminal 부분에 아르기닌(Arginine, Arg) 31과 32를 추가한 변형체다. 그 결과, 인슐린 글라진의 등전점은 7이 된다.
등전점이 7일 때, 완충용액을 pH 4로 산성화하여 단백질을 안정화한다. 몸 속 pH는 약 7.4로, 단백질의 등전점과 몸 속의 pH가 같을 경우 단백질은 파괴될 수 있다. 인슐린 글라진의 경우, 완충용액의 pH를 낮춰 단백질을 안정하게 유지하고, 몸 속에 들어가면 pH가 증가하면서 인슐린의 작용 지속시간을 증가시킨다.
돌연변이 엔지니어링을 이용하여 흡수력을 높인 단백질 의약품
일반적으로 인슐린은 이량체(Dimer) 또는 복합체(Multimer)가 형성하여 단백질 의약품의 흡수성과 용해성을 감소시킨다. 이를 방지하기 위해 이량체(Dimer) 또는 복합체(Multimer)가 형성되는 부위인 타이로신 (Tyrosine, Tyr) 26~트레오닌(Threonine,Thr) 3을 돌연변이시켜 다량체 형성을 억제한다.
인슐린 리스프로(Insulin Lispro)는 이량체(Dimer) 결합 부위를 돌연변이(mutation)시킨 물질이다. Chain B의 프롤린(Proline, Pro) 28과 라이신(Lysine, Lys)을 각각 라이신(Lysine, Lys)와 프롤린(Proline, Pro)으로 돌연변이시켜, 복합체 구조가 형성되는 것을 줄였다.
인슐린 아스팔트(Insulin Aspart)는 Chain B의 프롤린(Proline,Pro) 28을 아스파르트산(Aspartic acid, Asp)으로 돌연변이시켰다. 아스파르트산(Aspartic acid, Asp)이 음전하(negative charge)를 띄므로, 전체적인 인슐린 단백질 표면이 음전하를 가지게 되어 다량체를 형성하다가 단량체와 이량체로 나뉘는 분해력이 높아진다.
인슐린 글루리신(Insulin Glulisine) 역시 Chain B의 라이신(Lysine, Lys) 29를 글루탐산(Glutamic acid, Glu)으로 돌연변이시켜 다량체 형성을 억제한다. 또한 Chain B의 아스파라긴(Asparagine, Asn) 3을 라이신(Lysine, Lys)으로 돌연변이시켜 등전점을 5.5에서 5.1로 낮춰 용해성을 높였다.
돌연변이 엔지니어링을 통한 안전성 및 활성 향상 단백질 의약품은 신장세포암 치료제인 프로류킨 주(Proleukin®, 알데스류킨(Aldesleukin)), 다발성경화증치료제인 베타세론 주(Betaseron®, 인터페론 베타-1b(Interferon β1b)), 호중구감소증 치료제인 뉴라스타 주(Neulasta®, 페그필그라스팀(Pegfilgrastim))이 있다.
해당 의약품은 자연 상태에서 단백질 내에 이황화결합(Disulfide Bond)을 이루지 않고 남아 있는 시스테인(Cysteine)을 세린(Serine)으로 돌연변이시켜 비정상적인 이황화결합 형성을 막고 안정성을 높였다.
해당 의약품은 자연 상태에서 단백질 내에 이황화결합(Disulfide Bond)을 이루지 않고 남아 있는 시스테인(Cysteine)을 세린(Serine)으로 돌연변이시켜 비정상적인 이황화결합 형성을 막고 안정성을 높였다.
(출처 ; Rational design and engineering of therapeutic proteins(3))
단백질 엔지니어링은 ▲구조 분석, ▲2차 수소결합, ▲정전기적 상호작용 분석, ▲잔류 시스테인, ▲아미노산 추가, ▲돌연변이를 통해 등전점을 변화시키고, 이로 인해 안정성과 용해도를 증가시켜, 바이오 의약품이 안정적으로 유지되고 효과적으로 체내에서 작용할 수 있도록 디자인한다.
참고자료
(1) Ebrahimi SB, Samanta D.,Engineering protein-based therapeutics through structural and chemical design, Nat Commun. 2023 Apr 27;14(1):2411. doi: 10.1038/s41467-023-38039-x.
(2) Varewijck AJ, et al., Insulin and its analogues and their affinities for the IGF1 receptor., 2012 Sep 5;19(5):F63-75. doi: 10.1530/ERC-12-0026. Print 2012 Oct.
(3) Marshall SA, et al., Rational design and engineering of therapeutic proteins., . 2003 Mar 1;8(5):212-21. doi: 10.1016/s1359-6446(03)02610-2.
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