바이오정보학, 게놈약학·엔지니어링…약물 통합 과정에 사용

신약개발의 트렌트는 바이오 의약, 세포치료 및 단백질치료, 개인맞춤형의약, 바이오시밀러 & 제네릭약, 유전체의학, 신약재창출, 오픈이노베이션, 시스템 생물학 등으로 향해 이 분야에서의 활발한 연구와 발전을 암시하고 있다는 진단이 나왔다.

임현자 캐나다 사스캐츄완대학교 의과대학 지역보건 및 역학과 교수는 '제약산업과 약물개발 미래'를 주제로 한 글을 통해 미래의 신약개발은 타겟 생체고분자에 관한 정보를 제공하는 구조생물학, 신약후보을 설계하고 합성하는 화학, 약물과 타겟사이 교호작용을 결정하는 약리학 등의 기초과학 분야를 여전히 포함하지만, 더불어 정교한 컴퓨터 계산, 바이오정보학, 게놈약학, 엔지니어링, 나노테크놀로지를 약물개발 과정에 통합하는 시스템 생물학, 컴퓨터 기반의 분자설계기술, 인실리코(in silico) 방법 등 혁신적, 융합적 접근방법만이 신약개발을 선도할 것으로 예상된다고 예측했다.

임현자 교수는 "과거에는 신약이 시행착오를 거친 후 개발되는 형태였으나, 분자생물학과 유전공학의 발전으로 신약개발의 패러다임은 타겟중심으로 전환되고 있다"면서 "인간유전체 해독을 기점으로 본격적으로 시작된 포스트 게놈 시대에 있어 생명현상을 탐구하는 연구방식에 획기적인 변화가 일어나고 있다"고 설명했다.

이어 "다양한 생명체의 유전체 해독연구를 통해 수많은 새로운 유전자들이 발견되고 있고, 이를 토대로 유전체, 단백질체 및 대사체 등에서 생성된 방대한 양의 데이터를 초고속으로 확보하는 방식으로 재빠르게 전환되고 있다"면서 "이러한 분자생물학의 눈부신 발전과 지노믹스, 프로테오믹스 기술 도입은 새로운 물질 및 약물타겟 발굴에 기여할 것"이라고 내다봤다.

그는 "신약개발의 성공여부는 결국 합성 화학에서의 고속처리 탐색기술로 수천가지의 화합물을 동시에 분석시험하기 위한 생물학적 기술 발전에 달려 있으므로 파이프라인 개방할 새로운 아이디어가 절실히 필요하다"면서 "기능유전체 분석을 통해 확보되는 대량의 데이터를 통합적이고 정략적으로 분석하고 예측가능한 수학적 모델링 및 시뮬레이션을 통해 총체적으로 분석함으로써 복잡한 생물학적 과정의 원리를 시스템 수준에서 이해하기 위해서는 다양한 학문 분야에서 신약개발과 관련된 지식이 축적되면서 통합적인 시각에서의 이해가 필요하다"고 설명했다.

시스템생물학에 대해서는 "세포나 개체의 개별적인 구성 성분의 특성을 분리된 상태로 연구하는 것이 아니라, 세포내의 과정을 총체적인 측면에서의 그 구조와 동력학을 탐구함으로써 생명현상을 시스템 수준에서 이해하고자 하는 것"이라고 설명하면서 "글로벌 제약회사들은 유전체, 단백질체 및 대사체 분석 기술을 통해 생성된 방대한 양의 데이터들을 통합적으로 분석할 수 있는 시스템 생물학을 활용하여 신약 개발 및 타겟 발굴 연구를 본격적으로 수행하고 있다"고 말했다.

최근 신약개발은 맞춤형 의약품 개발 및 분자 분석으로 패러다임이 전환돼 시스템 생물학과 함께 컴퓨터 기반의 분자설계기술은 신약개발의 필수분야로 대두하고 있다는 점도 강조했다.

임현자 교수는 "분자설계기술은 신약개발을 위한 단백질, DNA, RNA 등 표적 물질들과 표적물질에 작용하는 약물 후보 화합물을 쉽게 볼 수 있게하고, 약물이 작용하는 활성자리를 밝혀주며 어떤 작용에 의해 약물이 효과를 나타낼 수 있는지를 계산해 예측할 수 있다"면서 "분자설계기술은 무작위적이고 직관적인 화합물 합성을 통해 신약을 개발하려던 기존 방법을 획기적으로 개선하여 분자수준의 상호작용을 가상공간에서 미리 살펴봄으로써 합리적 화합물 설계를 가능하게 한다"고 소개했다.

그는 "이 과정에서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 생명현상을 연구하거나 의약품 등을 설계할 수 있는 인실리코(in silico) 방법이다. 인실리코 접근의 시스템 생물학은 의약품 디자인에 있어서의 생명정보학(bioinformatics) 트렌드"라면서 "이젠 컴퓨터 시뮬레이션의 인실리코 기술로 컴퓨터만을 사용해 실제 미생물과 똑같이 작동하는 사이버 가상세포를 만들어 생체실험이나 시험관 실험에서 얻을 수 있는 것과 같은 결과를 얻어 생명공학이나 생물학을 할 수 있게 된 것"이라고 강조했다.

임현자 교수는 "현재 신약 개발 패러다임이 오픈 모델로 바뀌고 있다"면서 "보다 깊고 넓은 분자의 인식작용에 대한 이해, 그리고 기능면에서 단백질 단일분자의 다중 기능성, 단백질 서열의 진화가능성 등에 관한 많은 이해는 제약산업과 생명공학 산업에 큰 통찰을 줄 것"이라고 밝혔다.

그는 "또 최근의 신개념으로 소개된 네트워크 약리학 (network pharmacology)은 단백질 수용체의 상호작용 (단백질-단백질 상호작용 및 단백질-화합물 상호작용) 연관도 및 복잡도를 통해 약리 작용을 연구하며, 주로 단백질 수용체의 각 연결 point에 대해 물리적 화학적 생리적 상수와 연결선의 길이를 이용하여 정량적 구조-효능 상관관계를 연구한다"면서 "Polypharmacology 예견의 정확한 예측과 다중타겟 물질의 연구설계에 필요한 다양한 약물개발, 방법론개발 및 고급 데이터 통합방법에 대한 연구가 계속되어야 한다"고 밝혔다.

그러면서 "polypharmacology는 방법론의 부재로 신약개발에서 극복해야할 주요 도전으로 남아있지만, 보다 효율적이면서도 낮은 독성을 가진 차세대 신약개발을 주도 할 것"이라고 소개했다.

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