암을 정복하는 metabolic labeling

우리 몸속에서 자라나는 암세포는 완벽한 위장술의 대가다. 겉모습은 정상 세포와 너무나 똑같이 생겼기 때문에, 의사들이 현미경으로 들여다보거나 면역 세포가 핏속을 순찰해도 암세포를 쉽게 구별해 내지 못한다. 숨바꼭질에 능한 암세포를 찾아내 박살 내기 위해 과학자들은 기발한 아이디어를 떠올렸다. 암세포가 정상 세포보다 훨씬 더 미친 듯이 탐식하고 분열한다는 '대사(Metabolism)의 약점'을 찌른 것이다. 암세포가 꿀꺽 삼키는 밥(영양분)에 빛이 나는 화학적 꼬리표(라벨)를 몰래 달아놓으면 어떨까? 밥을 먹은 암세포의 몸 전체가 어두운 밤의 네온사인처럼 훤하게 빛나게 만들어, 표적 항암제로 완벽하게 저격할 수 있지 않을까? 생명체의 자연스러운 대사 과정을 해킹하여 암세포의 은밀한 활동을 실시간으로 추적하는 첨단 생화학의 결정체, '대사 표지(Metabolic Labeling)' 기술의 기막힌 암살 작전을 파헤쳐 보자.

암세포의 게걸스러운 식탐을 노리다

암세포는 정상 세포와 다르다. 끊임없이 돌연변이를 일으키며 무한 증식해야 하므로, 집을 짓기 위한 벽돌(아미노산, 지방산)과 에너지(포도당)를 주변 세포들보다 수십 배나 빠르고 게걸스럽게 빨아들인다. 대사 표지 기술은 바로 이 게걸스러운 식탐을 역이용한다. 과학자들은 포도당이나 아미노산 분자 끝에 아주 작고 은밀한 '화학적 꼬리표(아자이드, 알킨 등)'를 붙여서 주사액으로 환자의 몸속에 투입한다. 이 꼬리표는 너무 작아서 세포들은 눈치채지 못하고 진짜 영양분인 줄 알고 꿀꺽 삼킨다. 며칠 뒤, 이 가짜 밥을 미친 듯이 주워 먹은 암세포의 표면과 내부에는 꼬리표를 단 단백질과 당사슬이 빽빽하게 자라나게 된다. 정상 세포도 조금은 먹지만, 암세포의 몸뚱이에는 정상 세포보다 수십 배나 많은 화학적 꼬리표들이 고슴도치처럼 박히게 되는 것이다.

딸깍! 클릭 화학으로 불을 켜다

이제 암세포에 표적지가 꽂혔으니 여기에 불을 밝힐 차례다. 여기서 2022년 노벨 화학상을 휩쓴 기적의 화학 반응, '클릭 화학(Click Chemistry)'이 등장한다. 클릭 화학은 마치 안전벨트 버클이 '딸깍(Click)' 하고 결합하듯, 물속이든 살아있는 핏속이든 환경을 가리지 않고 오직 지정된 두 개의 분자만 귀신같이 찾아가 100%의 확률로 결합하는 화학 반응이다. 과학자들은 '형광 물질'이나 '독약(항암제)' 끝에 클릭 화학 버클의 반쪽을 달아서 핏속에 주사한다. 이 물질은 몸속을 둥둥 떠다니다가, 오직 암세포에 잔뜩 박혀있는 '대사 표지 꼬리표(버클의 나머지 반쪽)'를 만나는 순간 딸깍! 하고 맹렬하게 들러붙는다. 그 순간 암세포는 초록색 형광빛을 내뿜으며 자신의 위치를 완벽하게 들키게 되거나, 독약이 터지면서 산산조각이 나버린다.

부작용을 지운 생체 직교 화학

과거에는 몸속에 화학 물질을 투입하면, 그 물질들이 엉뚱한 간이나 심장의 단백질과 결합하여 심각한 부작용(독성)을 일으켰다. 하지만 대사 표지와 결합한 클릭 화학은 '생체 직교 화학(Bioorthogonal Chemistry)'이라는 기가 막힌 특성을 갖는다. 두 개의 버클 분자(아자이드와 알킨)는 서로를 향해서만 미친 듯이 결합할 뿐, 우리 몸을 이루는 수만 가지의 천연 단백질이나 아미노산과는 절대 반응하지 않고 마치 유령처럼 통과해 버린다. 즉, 암세포의 꼬리표에만 정확하게 형광펜을 칠하거나 폭탄을 터뜨릴 뿐, 옆에 있는 건강한 정상 세포에는 털끝 하나 건드리지 않는 완벽하고 깔끔한 외과 수술이 화학적으로 이루어지는 것이다.

실시간으로 지켜보는 암세포의 궤적

이 기술을 통해 의사들은 살아있는 쥐의 몸속에서 암세포가 어떻게 주변 혈관을 뚫고 뇌나 폐로 전이(이동)되는지를 동영상처럼 실시간으로 형광 추적할 수 있게 되었다. 더 나아가, 암세포가 자신을 숨기기 위해 면역 세포의 눈을 가리는 두꺼운 '당사슬 코트(글리칸)'를 만들어 입는 과정을 대사 표지로 밝혀내어, 이 코트만 싹 녹여버려서 면역 세포가 암세포를 공격하게 만드는 새로운 면역 항암제의 길까지 열어젖히고 있다. ![살아있는 세포 내에서 밝은 화학적 스파크와 함께 완벽하게 결합되는 두 개의 분자 퍼즐 조각이 있는 '클릭 화학'의 시각화](https://image.pollinations.