A. CDO 질문 관련 답변

| 서론

안녕하세요, 제리입니다.

'CRO, CDO, CMO, CDMO에 대한 이해' 글에서 질문이 있었습니다.

2021.09.29 - [(국내) 제약&바이오/산업 이해] - CRO, CDO, CMO, CDMO에 대한 이해

CRO, CDO, CMO, CDMO에 대한 이해

 

CDO가 정확히 뭔지 이해가 안된다는 질문을 주셨습니다. 그때 당시 제대로 된 답변을 못 드렸던 것 같아 CDO에 대해서 좀 명확히 알려드리고자 글을 작성하게 되었습니다. 목차에 따라서 천천히 읽다보면, 아마 이해가 되실 거라고 생각합니다.

 

| 목차

1. 기초 지식부터 CDO의 필요성까지

2. CDO 과정

3. 삼성바이오로직스의 생산 능력

 

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1. 기초 지식부터 CDO의 필요성까지

 

• 단백질 이해: 단백질은 3차 구조부터 비로소 특정한 기능을 할 수 있다.

아래 그림부터 보시죠. 단백질은 아미노산들의 여러 조합으로 이루어져 있습니다. 그리고, 여러 결합 (수소 결합, 반데르발스 힘, 이온 결합, 탄소 결합, 이황화 결합 등등)에 의해 단백질이 접히고 접힘 과정이 끝나면 비로소 그 기능을 할 수 있습니다. 

단백질 접힘 (protein folding) 과정

1) primary protein structure; 아직 접히기 전의 서열

2) secondary protein structure; 수소결합에 의해 생기는 규칙적인 접힌 구조

3) tertiary protein structure; 수소결합 포함 여러 결합에 의해 입체적으로 접힌 구조

4) quaternary protein structure; 3차 구조의 단백질 2개 이상이 결합한 형태의 단백질 구조. 즉, 단백질의 종류에 따라 3차 구조에서 끝날 수도 있고, 4차 구조에서 끝날 수도 있음.

 

• protein engineering의 필요성 대두

생리학적으로 보면, 생물체는 항상성을 유지하려고 합니다 (사람으로 예를 들면, 체온, 혈압 등). 그래서, 어떤 특정 조건이 있지 않는 이상, 대부분의 신체를 이루는 요소들은 적절한 비율로 균형을 잡으면서 항상성을 유지합니다. 체내에선 여러 단백질들이 존재하기 때문에 조화를 이루기 위해 특정 단백질이 기능을 최대로 발휘하지 않도록 프로그래밍이 되어 있습니다. 반면, 상업적으로 사용할 때는 그 단백질만을 사용하기 때문에 그 성질을 최적화시켜야 합니다. 이를 테면, 그 단백질의 활성도를 극대화시킨다거나 구조적 안정성을 높이는 등의 수정 과정이 필요합니다.

 

• protein engineering 과정

protein engineering process

단백질에 대한 정보를 얼마나 알고 있느냐에 따라서 왼쪽 과정을 통해 protein engineering을 할 수도 있고, 오른쪽을 택할 수도 있습니다. 왼쪽은 필요한 부분만 딱딱 수정한다고 생각하면 되고, 오른쪽은 그냥 하나씩 다 돌연변이를 일으켜서 그 중에서 성공한 걸 택한다고 보시면 됩니다. 즉, 단백질에 대한 정보를 많이 알고 있을수록 왼쪽 방법이 유리합니다.

 

• 이제 단백질을 변형했으니, 대량 발현 (대량 생산)을 시키면 되겠다. 그런데, 여기서 PTM이라는 변수가 존재하네?

구체적으로는 단백질은 아미노산만으로 구성되어 있지 않고, 다른 성분이 포함되어 있을 수도 있습니다. 그걸 PTM이라고 하는데, PTM이 있어야 하는 단백질은 대게 PTM이 없으면, 제 기능을 할 수 없습니다 (안 그런 것도 있지만 여기선 그 설명은 생략하겠습니다). 그런데, 생물 종류마다, 단백질의 PTM 종류와 그 구성이 조금씩 다릅니다. PTM의 종류 중 glycosylation을 보겠습니다.

Glycosylation pattern in various hosts

이런 식으로 조금씩 다릅니다. PTM이 어떤 PTM인지, 구조적으로 유사성이 어느 정도로 요구되는지에 따라 어느 생물에서 대량 생산을 하느냐가 결정됩니다. 

 

거의 다 왔습니다...!

 

• 그러면, 사람과 가장 비슷한 동물세포에서 생산하면 되겠네! But, 효율성 문제...

그런데, host에 따라서 효율성이 다 다릅니다. 동물세포와 E.coli (대장균)의 생산성을 따지면, 동물세포가 약 1,000배 정도 효율이 떨어집니다. 그런데, 구조적으로 동물세포가 더 복잡하니, 비용도 비쌉니다. E.coli를 키울 때 많이 사용되는 배지인 LB는 약 2,500원/L인데, 대표적인 animal host인 CHO (중국 햄스터 약자)를 키우는 CHO cell 배지는 약 141,000원/L로 상당히 가격차이가 많이 납니다. 보통 CHO cell로 단백질을 생산하면, 약 5g/L 수준으로 생산할 수 있다고 합니다.

 

 

2. CDO 과정

 

• Cell line (세포주) Development, 2가지 방식

transient expression vs stable expression

transient expression vs stable expression

transient는 그냥 생산하고자 하는 단백질의 유전자를 숙주 세포의 핵 속에 집어넣어서 생산하는 방식이고, stable은 그 유전자를 숙주 세포의 핵 안에 있는 유전자 속에 집어넣어서 생산하는 방식입니다. 둘이 차이가 뭐냐?

왼쪽이 transient, 오른쪽이 stable

숙주 세포의 유전자 안에 직접 집어넣게 되면, 유전자 복제가 될 때 같이 복제가 되기 때문에 생산량이 시간이 지날수록 훨씬 많아진다는 장점이 있습니다. 하지만, 숙주 세포의 유전자 안으로 원하는 유전자를 집어넣는 것을 성공할 확률이 매우 낮기 때문에 단기적으로는 transient 방식이 유리합니다. 

 

• transient는 대충 이제 기다리면 될 것 같고, stable은 구체적으로 어떻게 이루어지나?

 

 

단백질을 우선 조작을 해서 변형을 시키고 난 다음, 저런 판 안에 있는 각각의 cell 안에 유전자를 주입하고, transient와 stable의 차이가 최대가 될 때까지 계속 반복합니다. 그 다음 그중에서 상위 몇 개만 추출을 해서 그걸로 대량 생산을 합니다.

 

3. 삼성바이오로직스의 생산 능력

 

기술력 확인 완료.