<GS/MSX시스템을 이용해서 바이오의약품 생산세포주를 만드는 과정>

1. 배경지식

  바이오 의약품 (치료용 단백질, 재조합 단백질)을 생산하고자 할 때, 간단한 모양을 가진 단백질은 미생물이나 효모에서도 생산이 가능하지만 복잡한 형태의 단백질 의약품은 포유류 세포를 사용해야지만 인간 몸에서 제대로 된 활성을 가질 수 있습니다. 그 중에서도, 세계적인 매출을 기록하는 의약품의 절반 이상은 CHO (Chinese hamster ovary) 세포에서 생산되고 있습니다.

 

  CHO 세포에서 바이오 의약품을 대량으로 생산하기 위해서는 DHFR (dihydrofolate reductase) / MTX (methotrexate) 시스템 또는 GS (Glutamine synthetase) / MSX (methionine sulfoximine) 시스템을 사용하게 되는데, MTX는 DHFR의 inhibitor이고 MSX는 GS의 inhibitor입니다. 숙주세포주에 DHFR 또는 GS 유전자와 우리가 원하는 타겟유전자가 함께 삽입된 plasmid를 넣어준 뒤 MTX또는 MSX로 selection을 진행하면, 우리가 원하는 타겟 유전자 (+DHFR 또는 GS 유전자)가 들어간 세포만 살아남게 된다는 원리입니다.

 

  DHFR/MTX 시스템은 옛날부터 연구용으로 많이 써왔던 방법으로, 오랜 데이터가 누적되어있어서 시스템의 많은 특징들이 알려져 있지만 연속적인 유전자 증폭 과정을 사용하기 때문에 세포주 구축시간이 상당히 오래 걸린다는 단점을 가지고 있습니다. GS/MSX 시스템의 경우 현저하게 짧은 구축시간이라는 장점으로 인해 최근 들어서 산업계와 학계에서 널리 쓰이고 있지만, 상대적으로 짧은 연구 역사 때문에 그 특징이 잘 분석되어있지 않은 채 산업계에서만 비공개적인 지식이 공유되는 상황이었습니다.

 

 

2. 질문

  GS/MSX 시스템에서 효과적으로 세포주를 만드는 방법은 무엇이며, GS/MSX시스템 에 DHFR/MTX 시스템처럼 순차적인 selection을 가했을 때도 gene amplification이 일어날 것인가?

 

 

3. 발견

  본 논문에서는 GS시스템에서 사용되는 대표적인 두 가지 숙주세포주 (CHO-K1과 GS knockout CHO-K1)와 다양한 MSX 농도 (0, 25, 50 μM MSX)를 사용하여 단일step의 selection과정을 이용, 항체 생산세포주를 구축하였으며 각 조건 별 gene copy number, mRNA level, metabolites, 아미노산, 생산안정성 등을 비교 분석하여 효과적인 GS/MSX시스템을 이용한 세포주 구축방법을 제시하였습니다 (GS knockout 세포주에 0μM 또는25μM의 MSX를 적용하였을 때 가장 효과적이었음). 단일step의 selection을 진행하였을 때 gene copy number와 productivity는 또렷한 상관관계가 없었으며 0→25 또는 0→50 μM MSX 조건으로 추가적인 amplification을 시도하였을 때도 gene copy number가 증가하지 않음을 확인하였습니다. 이는 GS/MSX시스템은 유전자 증폭을 기본으로 하는 DHFR/MTX시스템과는 다른 방법으로 고발현 세포주를 만든다는 것을 뒷받침합니다.

 

4. 후속

  이번 연구에서 0 → 25 또는 0 → 50 μM의 낮은 농도의 MSX에서는 gene amplification을 시도해보았지만 그 이상의 높은 농도에서의 gene amplification은 시도해보지 않았습니다. 이는 높은 농도의 MSX가 생산성의 증가에 크게 필요하지 않다는 기존 연구결과 및 최근 트렌드에 의한 선택이었지만, 더 높은 농도에서 amplification을 시도했을 때도 gene amplification이 일어나지 않는가에 대한 질문에는 답할 수 없었습니다. 또한 세포주 구축에 있어서 발현 단백질의 종류, clonal variation이 큰 영향을 미치는 것을 배제할 수 없기 때문에, 이번 논문의 발견이 얼마나 범용적으로 적용될 수 있을지 다른 연구자의 결과가 궁금합니다.

 

5. 소감

  생물실험이라는 것은 전혀 모르는 사람들이 보기에는 근사해 보일지 모르겠지만, 막상 직접 실험을 해보면 굉장히 노동집약적인 부분이 많은 것 같습니다. 특히나 이번 논문은 characterization이라는 제목을 가진 논문이라서 많은 n수와 오랜 관찰이 동반되는 실험이 많았기 때문에, 50여개에 달하는 세포를 생산안정성을 보기 위해 3개월 이상 배양하며 이게 뭐 하는 짓인가 싶을 때도 많았습니다. 그 때마다 지친 마음을 다잡으며 생각했던 것은 노력 (지적 노력 + 육체적 노력)과 시간은 나를 배신하지 않을 것이라는 바램이었습니다. 인생에 있어 노력과 결과가 늘 정비례 하는 것은 아니겠지만, 최소한 대학원 생활에는 그 바램을 적용할 수 있는 것 같습니다.

 

 

6. 기타

  늘 저를 서포트 해주셨던 이균민 지도교수님과 여러 가지 디스커션을 함께하였고 정신적으로도 많은 버팀목이 되어주었던 연구실 멤버들에게 감사합니다. 지적 호기심이 충만하지 않은 사람에게 대학원이라는 곳은 그다지 추천하고 싶은 곳은 아닙니다. 하지만 하고자 하는 의지가 있으면 생각보다 많은 서포트를 해주는 곳이기도 하고 포기하지 않고 꾸준히 앞으로 나아간다면 언젠가 결실을 맺게 되는 것은 분명한 곳입니다. 대학원 진학을 고민하는 학부 후배들은 보다 신중하게 결정하였으면 좋겠고, 대학원에 진학한 후배들은 대학원에 진학하고자 했던 이유와 초심을 되새기며 즐겁게 연구하고 의미 있는 결실 얻으시길 바랍니다.