카나비노이드는 대마종 식물에서 분리되는 자연 발생적인 화합물입니다. 가장 대표적인 카나비노이드 물질은 델타-9-테트라하이드로칸나비놀(THC)과 칸나비디올(CBD)입니다. THC는 대마초에서 "황홀감"을 느끼게 해주는 향정신성 물질입니다. THC와 그 파생 물질에 대한 정보는 많기 때문에 이 블로그 포스팅에서는 잘 알려지지 않은 카나비노이드, 과학 문헌에서 나와 있는 주요 이점 및 그 화학 구조에 대한 심층 분석 내용을 집중적으로 다룹니다.  

오일, 화장품, 피부 관리 제품, 치료제, 음료, 초콜릿, 젤리, 심지어 반려견 간식까지, CBD가 함유된 다양한 제품이 시장에 나와 있습니다. 이 블로그 포스팅은 이들 제품을 보증하지 않으며 대마초가 연방 차원의 불법 약물로 스케줄 등급 I 약물에 해당한다는 사실을 주지하는 것이 중요합니다. 그러나 이들 제품, 특히 "다이어트 보조제"로서의 소비가 늘어나고 식품의약국(FDA) 승인이 필요하지 않게 되면서 이 물질이 건강에 미치는 영향을 이해해야 합니다.

카나비노이드 연구 동향

칸나비디올(CBD)을 모델 카나비노이드로 사용하여 카나비노이드의 치료 관점에 대한 현재 연구 동향을 파악하려는 경우 CAS SciFinderⁿ에서 간단한 검색을 수행하면 5천 건 미만의 참조문헌이 검색됩니다.

검색 결과를 자세히 살펴보면 인간 임상 연구 문서는 200건 미만이고 모든 임상 전 연구(동물, 체내, 체외, ADME, 인실리코)와 관련된 결과는 550건 미만이었습니다. 이는 제약 회사, 화장품 제조업체, 영양 전문 기업 및 기타 비즈니스 분야에서도 인류에게 유익한 카나비노이드 연구를 발전시킬 수 있는 기회가 있음을 보여주는 것일 수 있습니다.  

카나비노이드의 신체 유입 경로

4가지 주요 투여 경로는 다음과 같습니다.

• 흡입
• 설하
• 소화
• 국부

가장 일반적인 카나비노이드 소비 형태는 식물성 재료를 담배처럼 피우거나 카나비노이드 오일을 전자 담배 재료로 사용하는 등 기본적으로 흡입 방식입니다. 카나비노이드가 폐에 들어가면 빠르게 흡수되고 체내에서 역시 빠르게 배출됩니다. 흡입은 사람들이 선호하는 대마초 소비 방식입니다.

또 다른 유입 경로는 설하 방식입니다. 카나비노이드가 함유된 오일이나 틴크제를 혀 아래에 넣으면 혈류에 직접 흡수됩니다. 이 방법은 빠르면서도 오래 지속되는 효과가 있습니다. 카나비노이드는 소화도 됩니다. 식품 형태의 경우 체내 신진대사가 가능하지만 원하는 효과를 얻기까지 상당한 시간이 걸릴 수 있습니다. 카나비노이드는 크림, 로션, 스프레이, 패치, 밤과 같은 국부 작용제로도 사용할 수 있습니다. 근육통 또는 피부 질환을 치료하려는 경우 흡수 방식이 효과적입니다. 카나비노이드는 피부를 통해 혈류에 직접 흡수됩니다.

THC가 가장 널리 알려져 있기는 하지만 CBD, CBG, CBN, CBC와 같은 비향정신성 카나비노이드의 화학 구조와 그 효과를 보다 심층적으로 이해함으로써 새로운 제품 동향을 파악할 수 있습니다.

칸나비디올(CBD)

THC 다음으로 잘 알려져 있는 카나비노이드는 칸나비디올(CBD)일 것입니다. CBD는 대마에서 직접 추출되며 향정신성 약물은 아닙니다. CBD의 합법성은 계속 유동적이며 미국의 경우 주마다 CBD 관련 법규도 진화하고 있습니다. 하버드 의과대학에서는 불안, 불면증, 만성 통증, 관절염, 중독 치료제로서의 CBD의 효과를 인정하고 있습니다. 무엇보다 중요한 사실은 CBD가 중증 어린이 발작 질환 치료제로서 FDA 승인을 받은 약물의 한 성분이라는 것입니다(예: Epidiolex). CBD의 주요 부작용은 메스꺼움, 피로, 짜증입니다. CBD 함유 제품은 FDA 규제 대상이 아니며 불순물이 포함되고 복용법도 규정되지 않을 수 있습니다. CBD는 사용 시 주의 사항을 준수하고 항상 믿을 수 있는 업체의 제품을 구입해야 합니다.

칸나비게롤(CBG)

CBG는 1964년에 발견되었지만 대마초 식물 내 농도가 매우 낮아 CBD 또는 THC보다 많이 사용되지는 않습니다. CBG는 체내 카나비노이드 수용체, 즉 CB1, CB2와 상호작용합니다. CBG가 이들 수용체에 부착되면 자극, 식욕, 수면, 기쁨, 통증에 영향을 미치는 신경 전달 물질이 증가합니다. CBG는 세로토닌과 아드레날린 수용체에도 영향을 미칩니다. 이들 수용체 또한 신경 전달 물질을 조절합니다. CBG는 신경 전달 물질 증가로 인해 "행복(bliss)" 분자라고도 불립니다. 칸나비게롤은 항생제 효과와 함께 안압을 낮출 수 있는 것으로 알려져 있습니다.

카나비놀(CBN)

카나비놀은 대마초 식물에서 직접 합성되지 않으며 THC 분해로 생성되는 대사 산물입니다. 식물 재료가 장시간 산소에 노출되면 THC 감소에 따라 CBN이 증가할 수 있습니다. CBN은 진정 작용이 있어 불면증에 도움을 줍니다. CBN은 많은 연구가 이루어지고 있지는 않지만 일부 연구에서 카나비놀의 항생제, 녹내장 완화, 식욕 증진 효과가 확인되었습니다. 쥐를 대상으로 한 실험에서는 CBN이 루게릭병(ALS) 발병을 지연시키는 것으로 밝혀졌습니다. 이 유망한 화합물은 CBN을 치료 목적으로 활용하기 위한 많은 연구 기회를 제공합니다.

칸나비크로멘(CBC)

CBC은 CBG의 파생 물질로, 특히 다른 항생제 치료에 대한 저항성을 보인 감염 증상에 강력한 항균 효과를 보였습니다. 또한 쥐를 대상으로 한 일부 연구에서는 CBC가 알츠하이머병과 같은 신경변성 증상으로부터 뇌를 보호하는 신경 보호 작용과 함께 새로운 뇌세포 증가에 도움을 주는 것으로 밝혀졌습니다.

CBC는 카나비노이드 수용체와는 잘 결합되지 않지만 통증 지각에 영향을 미치는 것으로 알려진 바닐로이드 수용체 1(TRPV1), 일시적 수용체 전위 1(TRPA1)과 결합됩니다. CBC는 항암 성분도 있습니다. 인체 연구에서 치료제로서의 CBC에 대한 데이터 역시 많지 않지만 예비 연구에서 파악된 특성에 대해 더 많은 연구가 진행될 수 있을 것으로 보입니다.

측근 효과

많은 대마초 제품이 “풀 스펙트럼” CBD라고 광고합니다. 이는 제품이 CBD뿐만 아니라 여기서 설명한 다른 카나비노이드 물질과 테르펜, 정유 및 최대 0.3% THC(합법)까지 포함한다는 것을 의미합니다. 이러한 카나비노이드 물질을 함께 사용하면 효능과 효과가 증가하는데 이는 각 화학 물질 자체의 효과와는 다르며 이를 이론적으로 “측근 효과”라고 합니다. 기술적으로 너무 깊게 들어가지 않고 제안된 측근 효과 메커니즘만 살펴보면 외생성 카나비노이드와 결합되어 내생성 카나비노이드의 활성을 증가시키는 비활성 지질이 있습니다(아난다마이드와 2-아라키도닉글리세롤). 이 분야의 연구는 새로운 것이지만 몇몇 연구에서 암, 감정 및 불안 장애, 운동 장애, 간질에 긍정적인 결과가 나타났습니다.

전망과 영향

카나비노이드는 마리화나와의 연관성, THC와 그 파생물의 향정신성 성분으로 인해 부당한 대우를 받기도 합니다. 법적 우려로 인해 연구원들이 카나비노이드 연구를 꺼리는 측면도 있지만 카나비노이드에 대한 초기 연구 결과에 따르면 이들 화합물은 단일 성분으로서나 내생성 카나비노이드 활성화와 "측근 효과"를 통해서나 모두 잠재적인 치료 효과를 보일 수 있는 명확한 데이터를 확인할 수 있습니다. 이 블로그에서는 그중에서도 잘 알려진 카나비노이드 물질만을 다루지만 이 밖에도 100가지가 넘는 관련 화합물이 식별되었으며 앞으로도 계속 발견될 것입니다. 지속적인 연구를 통해 이러한 카나비노이드 물질과 관련된 오명이 사라지고 심신을 쇠약하게 하는 질병 치료에서 그 잠재력을 최대한 발휘할 수 있기를 바랍니다.

기분 전환 약제의 주된 건강상의 이점에 대한 새로운 연구 증가 동향은 카나비노이드에 국한되지 않습니다. LSD, 몰리, "슈룸"과 같은 환각성 약물이 앞으로 우울증과 PTSD 치료에 어떤 도움을 줄 수 있을지 알아보십시오.

수소 경제 실현을 목표로 많은 기술에 대한 연구가 이루어져 왔습니다. 연료 전지에 수소를 활용하는 분야에서 더 높은 효율성과 더 많은 응용을 위해 수많은 소재가 개발되었습니다.

상호 심사를 거친 이 간행물에서는 2011년 이후 수소 에너지 연구 진행 상황과 최근의 새로운 동향을 자세히 알아봅니다. 이 연구의 기본 요소는 연료 전지와 관련된 기술에 사용되는 친환경적인 수소 및 소재 생산을 가능하게 하는 촉매 소재입니다. 수소 경제 연구에 대한 깊이 있는 동향 조사 결과 또한 수록되어 있습니다.

재생 가능 수소는 탄소를 배출하지 않고 화석 연료 대비 3∼10배 더 높은 에너지 밀도를 제공하므로 향후 화석 연료에 대한 인류의 의존을 종식시킬 가능성을 기대할 수 있습니다. 그러나 아직까지는 수소 생산의 96%가 화석 연료를 통해 이루어지며 지속 가능성도 보장할 수 없습니다. 그린 수소 경제(생산, 저장 및 활용)에 대한 CAS의 동향 분석에서는 이 분야의 새로운 동향과 고유한 기회를 집중 소개합니다.  

메신저 (m)RNA 백신은 아직도 개발이 진행 중이지만 전세계를 강타한 팬데믹 상황에 따른 연구와 혁신의 가속화로 미래 가치를 인정받았습니다. 그러나 다른 중요 기술, 즉 mRNA를 보호하고 세포로 전달하는 지질 나노 입자(LNP)가 없었다면 mRNA 백신의 성공은 불가능했을 것입니다. 이 글에서는 지질 나노 입자 연구 동향과 COVID-19를 넘어선 나노 기술의 미래 가치를 알아봅니다.

나노 기술과 약물 전달에서의 활용, RNA 혁신을 지원하는 역할, 화장품, 농업 등의 분야에서의 활용 기회에 대한 CAS Insight 보고서를 통해 리포솜부터 지질 나노 입자로의 여정에 대해 자세히 알아보십시오.

나노 기술과 mRNA 백신의 성공과 미래

SARS-CoV-2 치료를 위해 여러 가지 백신이 개발되었으며 그중 Moderna와 Pfizer–BioNTech가 개발한 지질 나노 입자 기반의 mRNA 백신이 가장 널리 사용되고 있습니다. COVID-19 팬데믹 상황을 대처하는 데 있어 나노 기술의 중추적 역할을 잘 보여주고 있습니다. 2021년 이러한 백신이 대규모로 보급되면서 팬데믹 상황에 큰 변화를 가져왔으며 COVID-19 감염 사례가 현저한 감소세를 보였습니다.

그러나 빠른 바이러스 확산에 따라 SARS-CoV-2의 여러 가지 신종 변이가 나타났습니다. 이러한 변이는 앞으로도 계속될 것이며 이는 공중 보건에 있어 해결해야 할 큰 과제가 될 것입니다. 델타, 오미크론 등 해당 변이는 중화 항체의 기능을 감소시켜 백신 효능에 영향을 미쳤습니다. 이러한 SARS-CoV-2 변이 문제를 해결할 수 있는 열쇠가 바로 나노 기술입니다. 현재 이 목적을 위해 나노 입자, 백신 유도, 중화 항체, 중화 항체 조작, "나노 디코이" 등 다양한 나노 기술 활용 연구가 진행되고 있습니다. 나노 디코이는 세포에서 발현된 안지오텐신 변환 효소-2(ACE2) 수용체와 상호작용하는 미끼 나노 단백질을 만들어 ACE2에 바이러스가 결합되는 것을 억제하고 숙주 세포 감염을 차단하는 방법입니다. 이러한 나노 기술 구현으로 신종 코로나바이러스 팬데믹 상황이 빠르게 종식될 수 있다면 이 열정적인 연구 노력에서 얻은 결과를 일반 감염병 등 필요한 다른 영역에 어떻게 활용할 수 있을까요?

지질 나노 입자 기술 개발

미래를 예측하기 전에 먼저 지질 나노 입자 기술의 역사를 되짚어 볼 필요가 있습니다. 이 기술의 시작은 리포솜이 발견된 1965년으로 거슬러 올라갑니다. 리포솜은 폐쇄형 지질 이중층 소포가 물 속에서 자연적으로 결합되어 만들어진 일종의 지방 캡슐입니다. 연구원들은 저분자 약물을 캡슐화하고 물에 잘 녹을 수 있도록 도와준다는 점에서 약물 전달에서의 가능성을 즉시 파악할 수 있었습니다. 이러한 물질의 40% 이상이 물에 잘 녹지 않는 성질을 갖고 있습니다. 리포솜을 처음 발견한 이래로 이 기술은 지속적인 수정과 개선을 거쳤으며 다양한 기능의 약물 전달 플랫폼과 리포솜 약물 개발을 위해 지질 나노 입자의 기능을 최적화시켰습니다.

현재 지질 나노 입자는 COVID-19 mRNA 백신의 필수 구성 요소로 주목 받고 있지만 이미 오래전부터 일반 약물로서도 성공적으로 활용되어 왔습니다. 1995년, 항암제 독소루비신의 LNP 기반 제형인 Doxil이 리포솜 약물로 최초 승인을 받았습니다. 또 다른 리포솜 약물, Epaxal은 간염 백신으로 사용되는 단백질 항원의 LNP 제형입니다. 이러한 기술 발전에 이어 2018년에는 미국식품의약국이 유전성 트렌스티레틴 아밀로이드증에 따른 다발신경성 치료를 위한 LNP 기반의 짧은 간섭 RNA, Onpattro(파티시란)를 승인했습니다. 이 중대한 업적은 나노 입자 전달에 따른 많은 핵산 기반 치료법의 임상적 개발을 위한 토대가 되었습니다. 그림 1은 지질 나노 입자 관련 주요 기술 발전 현황을 연도순으로 보여줍니다. 자세한 내용은 CAS Insight 보고서를 참조하십시오.

포스트 코로나 시대의 나노 기술

CAS Content Collection™은 최근 지질 나노 입자 관련 연구의 특별한 동향을 분석했습니다. 분석 결과, CAS Content Collection™에서 240,000건이 넘는 LNP 관련 과학 분야 간행물을 확인했습니다. 그중 2000년부터 2021년 사이 간행물 수가 190,000건이 넘었으며 이로써 나노 기술에 대한 관심이 증가하고 있다는 것을 알 수 있습니다. COVID-19 사례를 토대로 감염병 치료에 나노 기술을 활용하면서 이러한 관심은 더 높아질 것이며 그에 따라 나노 의약품 시장 규모가 2027년까지 1640억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다.

지질 나노 입자는 약물 전달 시스템 주류에서 오랫동안 그 가치를 인정받아 왔지만 기술적인 제약은 항상 존재했습니다. 리포솜은 1세대 LNP 물질로서 유기 솔벤트를 사용하는 복잡한 생산 방법이 필요하고 약물 보존 효율성이 낮으며 대규모 활용이 쉽지 않습니다. 고체 지질 나노 입자 개발, 나노 구조 지질 운반체와 같은 주요 나노 기술 발전이 이러한 문제를 극복하는 데 도움을 주지만(표 1 참조) 해결해야 할 과제는 남아 있습니다. 나노 시스템의 제조 비용, 확장성, 안전, 복잡성 문제를 모두 평가하고 잠재적인 이점을 고려하여 균형을 맞추어야 합니다. 이 기술의 현재 한계점을 극복하기 위해 현재 차세대 지질 나노 입자와 함께 기능이 강화된 보다 정교한 전달 시스템을 살펴보기 위한 연구가 계속되고 있습니다.

표 1: 지질 나노 입자의 유형: 구조와 역할

COVID-19 mRNA 백신에 나노 기술을 적용한 성공 사례는 말라리아, 결핵(TB), 인간면역결핍바이러스(HIV) 등과 같은 감염병 치료에 이 기술을 활용하려는 시도가 많아졌습니다. 나노 기술은 이러한 질병의 검출과 치료 방법을 모두 혁신적으로 변화시킬 가능성이 있습니다. 나노 기술의 다양성은 리포솜 캡슐 치료제, 중합체 나노 입자, 나노 약물 결정을 국지적 또는 시스템적으로 전달하여 지속적으로 또는 즉각적으로 배출할 수 있음을 의미합니다. 이 가능성에는 한계가 없습니다.

그러나 일부 감염병(예: HIV)에 대해서는 집중적인 연구가 진행된 반면 말라리아, TB 등의 질병은 많은 연구가 이루어지지 않고 있습니다. 연구 자금(또는 자금 부족)은 지금까지 이처럼 요구가 충족되지 않는 분야에서 나노 기술의 발전을 제한하는 요인이 되어 왔지만 이제 변화의 기류가 시작되었습니다. 존스홉킨스 연구진이 유전자 의약품 전달에 필요한 지질 나노 입자 설계를 가속화하여 프로세스의 경제성을 높일 수 있는 플랫폼을 개발하고 있습니다. 구체적인 연구 내용은 이 기술을 활용하여 간에서 생존하는 질병 유발 기생충을 표적으로 하는 말라리아 백신을 개발하는 것입니다.

나노 기술의 밝은 미래

나노 기술은 과학, 특히 의학 분야의 새로운 지평을 열었습니다. COVID-19 mRNA 백신의 전달 매개체로서 지질 나노 입자를 사용하면 연구 범위가 더 넓게 확장될 수 있습니다. 현재는 물론 미래의 충족되지 않은 요구를 해결하기 위해 정교한 다기능 나노 운반체 설계를 준비하고 있습니다.

CAS Insight 보고서로 지질 나노 입자 기술의 과거, 현재 및 미래 기회에 대한 세부적인 동향 분석 정보를 얻으십시오.

NASA의 아르테미스 계획은 미래 인류의 식량 문제를 우주와 지구에서 해결하기 위한 방법을 달에서 찾을 수 있는 멋진 기회입니다. 성공적으로 우주에서 식물을 키우기 위한 다양한 요건을 이해하기 위해 7가지 식물 관련 실험이 승인을 받았습니다. 우주 농업 이외에 3D 프린팅 식품, 포장 및 새로운 미생물 활용 방법과 같은 혁신이 지구 식품 문제에 큰 의미를 갖게 될 것입니다. 우주 식품의 설계 과제(수명, 폐쇄형 주기, 영양, 조리 불가능)는 오늘날 어려운 지구 환경에서 영양에 대한 접근 방식을 개선할 수 있습니다.  

우주 식품의 필요 요건

지구에서는 대부분 식단의 다양성과 영양에 관심을 갖지만 우주 식품 시스템에 대한 몇 가지 중요 기준은 다음과 같습니다.

1. 식품 안전: 식품 부패 방지, 폐기물 처리, 식물 생장을 위한 최신 폐쇄형 루프 에코시스템
을 활용한 재활용 2. 신뢰성: 우주의 열악한 환경을 견뎌낼 수 있는 능력, 긴 보관 수명, 최소 점유 공간.
3. 영양소 밀도와 즐거움(맛, 다양성, 간편한 조리 등)

우주 공간의 특성과 과제

우주에서 식물을 키우는 데는 무중력 상태의 폐쇄형 에코시스템, 직사광선의 부재, 한정된 공간, 제한적인 용수 공급과 같은 과제를 고려해야 합니다. 무중력 상태는 조리가 어려우며 우주선에 미치는 자원의 부담을 최소화해야 함을 의미합니다(질량, 전력, 시간 관리, 식수, 쓰레기 처리). 영양소 파괴와 엄청난 필요 수량으로 인해 선조리된 포장 음식만 섭취할 수도 없습니다. 더 먼 우주를 탐험하게 될 미래에는 추가 공급 없이 한정된 식품과 식수를 싣고 수십 년의 우주 비행을 떠나야 할 것입니다.

간행물과 특허 동향

NASA를 비롯한 여러 기관의 우주 관련 간행물과 특허는 수십 년간 계속되고 있습니다. CAS 과학자들은 CAS Content Collection™을 활용하여 2000년과 2022년 사이 우주 식품 및 생명 시스템과 관련된 전세계 과학 간행물 현황을 분석했습니다. 이 연구 동향 보고서에 따르면 새롭게 발표된 여러 우주 프로그램이 향후 전세계 간행물과 특허 증가에 영향을 미치게 될 것입니다. 한 예로 국제우주정거장(ISS)은 1993년 처음 발표된 이래로 지금까지 엄청난 노력을 기울이고 있습니다. 이후 발표된 간행물과 특허의 증가는 지금까지 수행된 2,500건이 넘는 실험과 깊은 연관성을 보입니다. 마찬가지로, 2011년 NASA의 민간 우주선 개발 프로그램이 발표된 이후 연구 증가 추세가 뚜렷하게 나타나고 있으며 2017년 아르테미스 계획 이후에도 같은 증가세를 보였습니다(그림 1).

새로운 솔루션: 3D 프린팅 우주 식품

우주에서 피자도 만들어 먹을 수 있습니다. 농담이 아닙니다. 국제우주정거장(ISS)에서의 3D 식품 프린팅 기술 발전은 지구에서의 가장 주된 식품 관련 과제에도 큰 영향을 미칠 것입니다.  3D 프린터는 이제 특정 영양소를 식품에 추가하여 다양한 디자인과 맞춤형 식단을 만들어내고 있습니다. 오늘날 3D 프린터용 잉크에 건조육, 건조 채소, 유제품 가루가 포함될 수 있으며 관련 미량 영양소도 추가할 수 있습니다. 가장 일반적인 식용 프린터 잉크는 으깬 감자, 초콜릿, 밀가루 반죽, 치즈, 크림, 케이크 프로스팅, 과일입니다.

이 기술은 우주 식품의 유통 기한을 늘리는 데 중요합니다. 즉 식재료를 살균 상태로 유지하고 원재료 형태로 저장할 수 있습니다. 또한 저장 공간도 최소화할 수 있습니다.

미생물을 활용한 영양소 생성

공기 성분 또는 인체 노폐물을 영양분으로 바꾸기 위해 다양한 유형의 박테리아에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 예를 들어 수소 영양 생물(대사 작용을 통해 수소로 에너지를 만드는 단세포 미생물)로 알려진 박테리아는 발효 과정을 통해 우주 조종사가 내쉰 이산화탄소를 단백질로 변환시킬 수 있습니다. 제빵용 이스트와 친척 관계인 야로위아 리폴리티카를 사용하여 지질을 만들고 심지어 이 물질에 인간의 소변을 첨가하여 플라스틱을 만드는 연구도 성공을 거두었습니다. 이는 자연 폐기물을 인체 건강의 필수 영양소로 바꿀 수 있는 가능성을 열어준 것입니다.

선조리된 포장 식품

건조 또는 냉동 식품도 중요하지만 NASA는 새로운 접근법을 위해 새로운 식품 보존 기술을 연구하고 있습니다. 일례로 압력 보조 가열 살균 및 마이크로파 살균(Pressure Assisted Thermal Sterilization and Microwave Sterilization)은 선조리된 포장 식품의 우수한 초기 품질과 영양을 보장합니다. 식품 유통 기한을 최대 5년으로 늘리기 위한 보다 효과적인 포장재 연구도 진행 중입니다.

폐쇄형 시스템과 우주 농업

올바른 영양소원을 지속적으로 확보하기 위한 가장 좋은 방법은 우주선에서 직접 식재료를 키우는 것입니다. 우주 농장은 지속 가능한 환경을 구축하는 데 도움을 줄 것입니다. 식물을 활용하여 사용한 물을 재활용하고 산소를 만들고 공기를 정화하며 우주선에서 직접 배설물을 재활용할 수도 있기 때문입니다. 현재 베지(Veggie)라는 이름의 우주 식물 재배기가 개발되어 있습니다. 이 기계는 6가지 식물을 재배할 수 있으며 지금까지 상추, 배추, 경수채, 레드 러시안 케일, 백일홍을 재배하는 데 성공했습니다. 지난 40년 간 우주에서 재배에 성공한 식물의 목록을 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

지구에서 우주 식품의 의미

이러한 우주 식품 연구는 인류의 식량과 지구의 보다 올바르고 지속 가능한 관계로도 이어집니다. 즉 사막, 극지방, 오지 또는 도시에서 물과 토지가 많이 필요하지 않은 폐쇄형 온실과 수직 농법을 활용할 수 있습니다. 공기 성분으로 고기를 만드는 방법은 가축 사육량을 줄일 수 있으며 물과 토지도 많이 필요하지 않습니다. 우주 식품용으로 개발된 최신 공기 정화기를 이제 식품 보존과 수술실에서도 사용할 수 있습니다.

3D 식품 프린팅은 지구의 식량 부족 문제를 완화하는 데 기여할 수 있습니다. 3D 프린터를 사용하면 어떤 요리사보다도 식품을 더 빠르고 깨끗하게 만들 수 있으며 필요에 맞게 영양소와 질감까지 조절할 수 있습니다. 식용 잉크 또한 새로운 식재료원의 활용 범위를 넓힐 수 있습니다.

이러한 모든 기술은 고객과의 거리를 좁힘으로써 수송 양, 포장, 유통 및 기타 비용을 줄여주며 결과적으로 생태 발자국이 감소하는 효과를 제공합니다. 따라서 우주 탐사에 대한 지속적인 연구에 따른 이점이 지구 환경과 인류 모두로 확대되며 육지 생태계 유지와 보존을 위한 아이디어를 제공합니다.

당류는 세포 내 정상적인 생리 과정에 중요할 뿐만 아니라 병리학적 프로세스에서도 중요한 역할을 합니다. 박테리아와 바이러스는 숙주 감염 사실을 직접 인지할 수도 있습니다. 아직도 쉽지 않은 연구 주제이기는 하지만 최근 몇 년간 당생물학에 대한 다양한 분야와 학계의 관심이 커지고 있습니다. 생물 직교 화학은 이 연구 분야의 한 도구로 글리칸의 영상을 촬영하는 데 사용됩니다. 글리칸은 단백질과 펩티드에 부착된 탄수화물 구조입니다(그림 1). 

최근 Carolyn Bertozzi의 연구 그룹이 생물 직교 화학을 활용하여 새로운 생체 분자, glycoRNA를 발견하는 놀라운 성과를 달성했습니다. 이 단체는 생물 직교 화학 분야에서 오랫동안 선구자적인 연구 활동을 이어 왔습니다. 이 글에서는 생물 직교 화학과 그 활용 분야, 특히 당생물학 분야의 발전에 미치는 영향과 앞으로의 기회를 세부적으로 알아봅니다.

생물 직교 화학이란?

생물 직교 화학이라는 용어는 수년간 이 분야를 선도해 온 Bertozzi 연구 그룹이 처음 사용했습니다. 생물 직교 화학은 생체분자에 미치는 영향과 생화학적 프로세스에 대한 간섭을 최소화한 생물학적 환경에서 발생할 수 있는 반응을 의미합니다. 생물 직교 화학 프로세스는 생물학적 시스템에서 반응이 발생하는 데 필요한 다음과 같은 엄격한 기준을 충족합니다.

• 반응은 생리학적 환경의 온도와 pH에서 발생해야 합니다.
• 반응은 선별적으로 또한 높은 수율로 산물을 제공해야 하며 복잡한 생물학적 환경에 존재하는 물 또는 내생 진핵체(endogenous nucleophiles), 친전자체(electrophiles), 환원제 또는 산화제의 영향을 받지 않아야 합니다.
• 반응은 낮은 농도에서도 빠른 속도로 안정적인 반응 산물을 만들어야 합니다.
• 반응에는 생물학적 시스템에서 자연적으로 존재하지 않는 작용기가 수반되어야 합니다.

생물 직교 화학의 용도

CAS Content Collection^TM을 활용하여 2010년부터 2020년까지 생물 직교 화학 분야의 간행물 동향을 분석할 수 있습니다(그림 2). 2010년과 2020년 사이 생물 직교 화학을 가장 많이 사용한 단일 용도가 이미징이었으며 그 다음이 신약 개발과 약물 전달입니다.

(*2010년을 기준점으로 선택한 이유는 "생물 직교 화학"이라는 용어가 포함된 문서가 전년에 비해 크게 증가한 첫 해이기 때문입니다. "생물 직교"라는 용어가 포함된 총 문서 건수의 약 90%가 2010년 이후 발표되었습니다.)

단백질 생물 직교 화학과 관련된 간행물 건수가 가장 많았으며 그 이유는 이 방법이 가장 잘 정리되어 있기 때문으로 분석됩니다. 상대적으로 새로운 분야인 글리칸에 대한 연구도 점진적으로 증가하고 있습니다(그림 3).

글리칸 이미징

생물 직교 화학은 글리칸의 구조, 위치, 생물학적 기능을 이해하기 위한 필수 도구임이 입증되었습니다. 글리칸은 세포벽에서 쉽게 찾을 수 있는 펩타이드, 단백질, 지질에 부착된 올리고당으로 세포 유형을 선택적으로 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. 글리칸 대사 전구물에는 아지드화물, 말단 알카인, 스트레인 알카인과 같은 많은 생물 직교 기능이 포함됩니다. 글리칸은 적절한 생물 직교 파트너로 시각화할 수 있습니다. 예를 들어 아지드화물은 슈타우딩거의 포스핀 함유 에스테르 또는 티오에스테르 또는 흔적이 없는 슈타우딩거 라이게이션으로 볼 수 있으며 말단 알카인 또는 스트레인 알카인은 각각 CuAAC 또는 SPAAC를 사용하여 식별할 수 있습니다.

생물 직교 화학을 통한 당생물학 발전

지금까지 RNA는 글리코실화의 주요 표적이 아니었습니다. 그러나 최근 대사 표지 및 생물 직교 화학 연구에서 "glycoRNA 발견"이라는 큰 업적을 달성했습니다. Bertozzi 연구 그룹을 지휘한 Ryan A. Flynn 박사는 다양한 화학 및 생화학 접근법을 사용하여 보존된 작은 비암호화 RNA가 시알화 글리칸을 함유하고 해당 glycoRNA가 여러 가지 세포 유형과 배양 세포 및 체내 포유류종에 존재한다는 점을 발견했습니다.

이 발견에 사용된 전략은 클릭 가능한(clickable) 아지드기로 기능화된 당질 선구체로 세포 또는 동물에 대사 표지를 지정한 것이었습니다. 아지도 당류(Azidosugars)는 비오틴 프로브로 생물 직교 반응을 도우며 세포 글리칸에 통합된 후 농축, 식별 및 시각화가 가능합니다. 시알산, 당 아세틸화 N-아지도아세틸만노사민(Ac4ManNAz)의 아지드 표지 전구물을 사용한 결과, 표지 세포를 통한 고순도 RNA 준비로 아지드 반응성이 나타나는 것으로 나타났습니다. glycoRNA 구성은 기준 N-글리칸 생합성 구성과 시알산 및 푸코스가 풍부한 구조 결과에 따라 다릅니다. 생세포에 대한 추가 분석 결과, 대부분의 glycoRNA가 Siglec 수용체군의 항dsRNA 항체 및 구성 요소와 접촉하는 세포 표면에 존재한다는 것으로 나타났습니다. glycoRNA의 역할을 연구하는 추가 연구도 예정되어 있습니다.

생물 직교 화학의 도움으로 RNA 생물학과 당생물학 간의 직접 연계가 가능해졌으며 현재 다른 많은 연구가 진행 중입니다.

생물 직교 화학의 미래와 기회

생물 직교 화학은 과학, 의학 분야에서 다양하게 활용되며 최근 몇 년간 관련 연구가 크게 진척되었습니다. glycoRNA 발견으로 글리코실화 분야의 발전을 촉진했을 뿐만 아니라 약물 전달과 약물 표적 치료에서도 그 활용 가능성을 인정받고 있으며 향후 보다 다양한 용도로 확장될 것입니다. 대표적인 예는 다음과 같습니다.

• 약제 현장(in situ) 합성: 생물 직교 화학은 작은 전구물에서 약물을 조합하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 필요에 따라 약물을 제조함으로써 약물의 효능은 높이고 독성은 줄일 수 있습니다. 약물적 중재 범위도 확장할 수 있습니다.
• 글리칸 표지: 엽산 리간드를 사용하여 아지드 표지 갈락토사민을 함유하는 지질 나노 입자가 생성되었습니다. 종양 조직의 엽산 수용체가 증가하면서 LNP 내재화가 발생했으며 이어서 종양 세포로 적재 물질(cargo)이 배출됩니다. 종양 막이 아지드 기능화된 디벤조사이클로옥틴을 통합하여 종양 세포가 인간 혈청에 노출되면 면역 반응을 일으킵니다.
• 클릭 투 릴리스(Click to release): 이 방법은 생물 직교 화학을 사용하여 약물 방출 시간과 위치를 제어하므로 약물을 통해 표적 세포에 대해 선별적으로 독성을 줄 수 있습니다.

생물 직교 화학은 반응에 대한 지속적인 개발과 세분화 노력을 통해 향후 연구에 중요한 도구 역할을 할 수 있습니다.

생물 직교 화학과 그 다양한 용도에 대한 자세한 내용은 CAS의 Bioconjugate Chemistry 기사 및 관련 CAS Insights 보고서를 참조하십시오.

SARS-CoV-2 바이러스에 따른 신종 코로나바이러스 질병, COVID-19는 발병 이후 전세계로 급속하게 확산되었습니다. 과학자와 의사들은 가능한 치료법과 효과적인 치료제, 백신 개발을 위해 이 새로운 바이러스와 질병의 병리와 생리를 이해하는 데 총력을 기울이고 있습니다.

CAS는 이러한 연구 개발 노력을 지원하기 위해 CAS 컨텐츠 컬렉션의 특허 자료를 토대로 공개 과학 정보를 개괄적으로 소개하는 특수 보고서를 만들었습니다. 이 보고서는 코로나바이러스 감염과 복제에 관여하는 복잡한 분자 상호작용을 표적으로 하는 저분자 및 생물의약품에 대한 항바이러스 전략을 집중적으로 다룹니다. 보고서에서 다루는 약물 재창출 노력은 SARS-CoV, MERS-CoV를 포함하여 기타 RNA 바이러스에 효과가 있는 것으로 알려진 물질에 주로 초점이 맞춰져 있습니다. 
 

코로나바이러스 관련 생물의약품에 대한 특허 분석 대상에는 바이러스 유전자 발현을 표적으로 하는 치료 항체, 사이토카인, 핵산 기반 치료법을 비롯한 다양한 유형의 백신이 포함됩니다. 코로나바이러스는 물론 COVID-19에 대한 감염 치료와 예방 효과까지 기대할 수 있는 이 4가지 생물의약품 방법론 관련 특허가 500건이 넘습니다. 이 보고서에 포함된 정보는 치료제와 백신의 지속적인 개발을 위한 강력한 지식 기반을 제공합니다.

안지오텐신 전환 효소 2(ACE2) 단백질은 최근 수년간 SARS-CoV-2 바이러스의 수용체 역할로 많은 관심을 끌고 있습니다. 그러나 ACE2 연구 증가는 여러 다른 질병의 치료 표적으로서의 흥미로운 가능성 또한 불러일으켰습니다.

ACE2란?

ACE2는 효소 영역이 인체 세포의 외부 표면에 위치하는 막 단백질입니다. ACE2는 이 단백질이 처음에 안지오텐신 전환 효소(ACE)의 동족체(또는 변형)로 식별된 것에서 유래된 명칭입니다. ACE는 안지오텐신 I에서 안지오텐신 II를 만드는 펩타이드 호르몬 형성을 중재하는 효소입니다. ACE는 관련 연구가 광범위하게 이루어진 잘 알려진 혈관 수축 신경제로, 혈관벽의 근육을 수축시켜 혈관 루멘을 좁게 만드는 역할을 합니다.

ACE2는 바이러스 수용체로서 ACE의 균형을 맞춰서 혈관벽을 이완시키는 혈관 확장 신경제 역할도 합니다. ACE와 ACE2 모두 레닌-안지오텐신계(RAS)에서 중요한 역할을 합니다. RAS는 폐, 심장, 신장 등 여러 기관의 혈압과 혈류를 조절합니다.

안지오텐신 전환 효소 2(ACE2)의 기능

레닌-안지오텐신계는 효소, 펩타이드 호르몬, 수용체로 구성되는 복잡한 네트워크 구조를 갖습니다(그림 1). 안지오텐시노젠은 안지오텐신(Ang)의 전구 물질로 간에서 분비되며 신장 효소 레닌에 의해 분해되어 안지오텐신 I(Ang I)이 됩니다. 이 Ang I을 Ang II로 변환시키는 것이 ACE입니다. Ang II는 8-아미노산 호르몬 펩타이드로, 소혈관의 근육 세포 표면에서 유형 1 안지오텐신 수용체(AT1R)에 결합되어 혈관 수축을 일으킵니다. 또한 신장의 나트륨 재흡수를 촉진합니다. 혈관 수축과 나트륨 재흡수 모두 혈압 상승의 원인이 됩니다. 따라서 ACE 활성이 비정상적으로 높아지면 Ang II도 많아져 고혈압을 일으킵니다.

반대로 ACE2는 8-아미노산 펩타이드, Ang II를 7-아미노산 펩타이드(Ang 1-7)로 변환시키는 촉매제 역할을 합니다. 이 경우 Mas 수용체(MasR)라는 다른 수용체에 작용하여 Ang II의 역효과를 내는 것으로 알려져 있습니다. 혈압 조절에 있어 Ang 1-7의 정확한 역할은 아직 완전히 규명되지 않았지만 혈압을 낮추고 혈관 확장을 유도한다는 증거가 있습니다. 또한 ACE2는 Ang I을 Ang 1-9로 분해하므로 기질 제거를 통해 ACE 효과의 균형을 맞출 수 있습니다. ACE2는 Ang II를 Ang(1-7)로, Ang I을 Ang 1-9로 변환함으로써 혈관 수축과 혈관 확장의 균형을 유지하고 그에 따라 혈압을 안전하게 조절하는 역할을 합니다.

SARS-CoV-2 감염에 있어 ACE2의 역할

COVID-19 발병 이후 과학자들은 SARS-CoV-2 바이러스를 이해하고 질병 진행 메커니즘을 규명하며 치료 방법을 찾아내기 위해 노력해 왔습니다. 치료제 표적이 될 수 있는 유전자와 단백질을 찾아내기 위한 광범위한 연구가 진행되었으며 팬데믹 초기에 SARS-CoV-2 바이러스의 수용체로서 ACE2의 잠재적으로 중요한 역할이 발견되었습니다.

ACE2는 SARS-CoV-2 또는 SARS-CoV 바이러스 표면에서 스파이크 단백질(S 단백질)로 인식될 수 있습니다. ACE2와 S 단백질은 열쇠와 자물쇠의 관계와 유사한 방식으로 결합되어 바이러스가 인체 세포에 들어갈 수 있습니다(그림 2).

SARS-CoV-2는 SARS(중증급성호흡기증후군)의 원인 바이러스인 SARS-CoV와 매우 유사하지만 S 단백질의 수용체 결합 영역 내 몇몇 돌연변이가 ACE2에 대한 SARS-CoV-2 바이러스의 결합 친화성을 크게 증가시킵니다. 이러한 차이는 COVID-19의 더 높은 전달성에 영향을 미칠 수 있습니다. ACE2가 폐, 소화기, 심장, 동맥, 신장에서 발현된다는 증거가 있습니다. 또한 ACE2 발현은 노화와 함께 증가하며 심혈관계 질환 환자에게 더 높게 나타나는데, 이는 이들 특정 집단에게 COVID-19가 더 위험할 수 있음을 의미합니다.

COVID-19 치료법의 ACE2 단백질 상호작용

ACE2는 SARS-CoV-2와 결합되어 바이러스의 숙주 세포 침투를 중재하지만 이 프로세스를 단독으로 수행하지 않을 수도 있습니다. 바이러스 침투를 용이하게 하기 위해 다른 숙주 효소가 작용할 수도 있습니다. 프로테아제 효소는 ACE2와 S 단백질에서 모두 절편을 제거하여 상호작용 프로세스를 강화합니다. 숙주 세포로의 바이러스 침투를 용이하게 하기 위해 막 결합 소포에 들어 있는 ACE2-S 단백질 복합체를 변형시키는 효소도 있습니다. 따라서 ACE2, ACE2와 SARS-CoV-2의 상호작용, 이 프로세스에 관여하는 다른 단백질이 COVID-19 치료제의 유효한 표적이 될 수 있습니다.

바이러스가 결합되면 ACE2의 촉매 영역을 바이러스가 막아 기질, Ang II에 접근할 수 없게 되고 결과적으로 Ang II가 축적되는 것을 예상할 수 있습니다. 또한 바이러스가 침투하면 표면 ACE2가 세포 안으로 들어가 ACE2 효소 기능이 감소하게 됩니다(그림 3). ACE2 활성이 감소하면 혈중 Ang II 농도가 증가할 수 있으며 COVID‐19 환자 중에서 이 증상이 보고되었습니다. Ang II 농도는 바이러스 양, 폐 손상과 양의 선형 관계를 갖습니다. 즉 RAS가 불균형 상태인 조직 ACE2 하향 조절과 COVID-19 환자의 장기 손상 진행은 직접적인 관계가 있습니다. 그러나 이 결과를 확인하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.

COVID-19 치료 표적으로서 ACE2의 잠재력

SARS-CoV-2의 숙주 세포 침투에 있어 ACE2의 중요한 역할로 인해 해당 기능을 차단할 수 있는 신약 개발을 위한 연구가 진행되고 있습니다. 현재까지 약물 재창출을 통해 이 용도로 승인을 받은 저분자 약물은 아직 없습니다. 그러나 최근 개발된 한 생물 약제가 이 목표를 달성할 수 있다는 기대를 받고 있습니다. 현재 임상 단계에 있는 이 인간 재조합 용해성(human recombinant soluble) ACE2(hrsACE2)는 원래 급성 호흡곤란 증후군(ARDS) 치료제로 개발된 약물입니다.

hrsACE2는 막-결합 부분이 없어 인체 세포에 결합되지 않습니다. 그러나 SARS-CoV-2 바이러스에는 미끼 수용체로서 결합될 수 있습니다. 이 코로나바이러스에 경쟁적으로 결합되어 자연적인 막 결합 ACE2에 대한 바이러스 결합을 방지하고 숙주 세포로의 바이러스 침투를 차단합니다(그림 4). 배양 세포와 다양한 장기 유사체에 대한 연구 결과, hrsACE2가 바이러스의 숙주 세포 감염을 억제한다는 사실이 실제로 밝혀졌습니다. 또한 내성이 우수하고 2017년에 실시된 임상 시험에서는 ARDS 환자의 혈청 Ang II 농도가 급격히 감소했습니다. hrsACE2가 ACE2를 표적으로 하는 최초의 신약으로서 COVID-19 퇴치를 위한 표적 치료법의 문을 여는 계기가 되기를 희망합니다. 또한 hrsACE2는 SARS-CoV-2 감염에 있어 렘데시비르의 효능을 높여 병행 치료제로서의 가능성을 입증했습니다.

ACE2의 향후 치료법 활용

ACE2 경로는 AT1R 억제제 또는 ACE 억제제와 함께 사용할 수 있는 재조합형 ACE2의 개발로 Covid-19뿐만 아니라 2009년 신종 인플루엔자(H1N1), 조류 독감(H5N1)과 같은 다른 호흡기 질환 치료에도 활용할 수 있습니다. 심혈관 질환 분야에서도 ACE2에 대한 관심이 커지고 있습니다. ACE2와 같은 새로운 표적이 고혈압 등의 증상에서 중요한 역할을 하는 RAS 활동항진을 표적화하는 보다 효과적인 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있을 것입니다. ACE2는 2형 당뇨병 치료의 중요한 표적이기도 합니다. 예를 들어, ACE2 중재 경로를 활용하여 당뇨병 신장에서 Ang II 증가에 따른 효과를 없앨 수 있습니다.

신약 치료제 개발에 있어 RNA의 새로운 역할로 인해 신약 개발 환경이 새롭게 바뀌고 있는 상황에서 CAS를 통해 관련 정보를 빠르게 얻을 수 있습니다. CAS Insight 보고서로 RNA 치료법의 새로운 동향을 파악하십시오.

COVID-19 팬데믹 시대에 계속 논의되는 주제 중 하나가 감염자의 항바이러스 항체와 SARS-CoV-2를 검출할 수 있는 정확하고 효율적인 진단 테스트를 널리 보급하는 것입니다. 테스트를 통한 경증 및 무증상 감염 사례 검출로 눈에 보이지 않는 바이러스 확산 방지의 필수 단계인 조기 진단과 접촉자 동선 추적을 용이하게 할 수 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 전세계 연구진들이 확장 가능하고 신속한 테스트를 위한 정확하고 효율적이고 비용 효과적인 방법을 개발하기 위해 매진하고 있습니다. CAS는 수많은 진단 테스트를 보다 정확하게 이해하고 비교할 수 있도록 SARS-CoV-2 진단 테스트에서 사용되는 분자 및 혈청 분석의 기본 원리를 요약해 놓은 특수 보고서를 작성했습니다. 이 보고서는 테스트 기술의 최근 발전 현황을 집중 분석하고 현재 이용 가능한 200가지가 넘는 진단 테스트를 개괄적으로 소개합니다.

SARS-CoV-2 RNA 조기 검출을 위한 대부분의 테스트는 역전사 중합 효소 연쇄 반응(RT-PCR)을 활용하지만 전사 매개 증폭, CRISPR 기반 방법과 같은 등온 핵산 증폭법이 유망한 대안입니다. SARS-CoV-2 바이러스 항체가 생성된 개인을 식별하기 위해서는 효소 결합 면역 흡착 분석법(ELISA), 측방 유동 면역 측정법과 같은 혈청학적 검사가 필요합니다. 빠른 연구 진행으로 테스트 정확도를 지속적으로 개선할 수 있으며 많은 양의 테스트를 처리하고 결과 도출까지의 시간을 단축할 수 있는 것은 물론 현장 진단 테스트의 다양성을 높일 수 있습니다. 이러한 발전은 증가하는 공중 보건 요구를 충족할 수 있도록 테스트 확장성을 강화하는 데 중요한 역할을 합니다.  

질산암모늄은 수십억 명의 식량 생산에 도움을 줄 수 있지만 동시에 엄청난 파괴력을 가진 화합물입니다. 가장 강력하고 경제적이고 편리한 비료 물질로 전세계 수많은 항구와 여러 장소에 많은 양이 보관되어 있습니다. 그러나 최근 베이루트에서 일어난 폭발 참사는 질산암모늄의 잘못된 보관 및 취급에 따른 위험과 엄격한 관련 규정 준수의 필요성을 상기시킵니다.

제조업체, 판매자, 사용자, 응급 구조원, 규제 기관 등 질산암모늄 관련 업무를 수행하는 모든 사람이 위험을 보다 잘 인지하고 안전 규정을 성실하게 준수하지 않으면 향후 사고 발생은 불가피한 일입니다.

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