서로 다른 물질의 화학·생물학적 결합을 통한 이종물질간의 기능융합은 생명공학연구의 패러다임을 매우 빠르게 변화시키고 있다. 예를 들어 표적세포를 정확히 인지하는 생물학적 항체와 세포를 공격하여 죽이는 화학적 약물을 결합한 항체약물결합체(Antibody-Drug Conjugate, ADC)는 “선택적 약물 치료”라는 혁신적 표적치료 플랫폼을 제시한다. 이러한 ADC는 약물의 단독적 치료에 비해 최대 1000배에 이르는 적은 부작용의 효율적 치료 효과를 낼 수 있는 잠재력을 갖는다. 이에 따라 최근 새로이 형성된 ADC 항암 치료제 시장은 미국 단일 국가 기준 연 성장률 25.9%에 2025년이면 연 12조원에 이를 것으로 예상이 되는 등 폭발적 성장을 기록하고 있다.

그러나 생물학적 물질들의 바이오결합을 통한 기능융합은 극히 어려운 일이다. 우리 몸 안에서 최적화된 항체의 다양한 기능들(예) 표적세포 인식, 면역반응 유도, 혈중 반감기 상승 등)을 기대하기 위해서 약물은 항체의 매우 정확한 위치에 결합되어 ADC를 형성해야 한다(그림 1A). 결과적으로 “위치 선택적 바이오결합기술의 구현”이 ADC의 성능을 좌우함에 따라 수많은 관련 연구들이 현재 진행형이다. 하지만 아쉽게도 지금까지 개발되어온 바이오결합기술들은 자연상태 그대로의 생체표적을 사용하지 못할 뿐만 아니라, 그 반응의 효율성과 안정성 및 유독성 등에서 치명적 한계를 드러내고 있다.

본 연구는 플러그와 정확히 맞는 콘센트가 연결되어야 비로소 전류가 흐르는 것처럼, 분자인식물질이 생체표적을 정확히 인식하여 특정 반응기를 목표 위치로 근접시킴에 따라 비로소 고효율 화학반응이 일어나는 “플러그인 화학”이라는 신개념 바이오결합 화학을 제안하고자 한다(그림 1B). 이를 통해 차세대 생명공학의 확장적 기술패러다임으로, 1) 자연상태 그대로의 생체표적 기반, 2) 정밀한 위치로 선택·효율적 화학결합, 3) 보관·사용이 쉽고 인체에 무해한 바이오결합기술을 완성하고자 한다. 이를 위해 합성 가능한 DNA, RNA와 같은 핵산 기반의 고성능 분자인식물질인 압타머(Aptamer)와 결합·치환과 같은 다양한 화학반응의 변형염기를 융합하여 새로운 3차원 분자 나노구조체를 발굴하고, 이를 활용하여 차세대 항암제를 위한 ADC의 완벽한 기능융합화를 이룩하고자 한다(그림 1C).

그림 1. A) 생물학적 항체의 복잡한 구조와 다양한 기능들로 인해 항체 내 정확한위치로의 약물 결합이 요구됨. B) 호환되는 플러그와 콘센트처럼 생체표적에 꼭 맞는 분자인식물질을 이용해 선택적 화학반응을 유도하는 플러그인 화학. C) 본 과제의 최종 목표로서 최적화된 항체약물결합체의 구현.