스크립스 연구소 과학자들이 발명한 새로운 마이크로칩은 단 한 방울의 혈액만으로 사람의 항체가 바이러스와 어떻게 상호작용하는지 알아낼 수 있다. 이 기술은 연구자들에게 백신 개발과 항체 발견을 가속하는 데 도움이 될 수 있는 더 빠르고 명확한 통찰력을 제공한다.

스크립스 연구소 통합 구조 및 계산생물학과 교수이자 2025년 6월 3일 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering) 에 게재된 이 논문의 수석 저자인 앤드류 워드(Andrew Ward)는 “이를 통해 백신이나 병원체 노출 후 항체가 진화하는 과정을 빠르게 파악할 수 있습니다. 이렇게 짧은 시간 안에, 이렇게 적은 양의 혈액으로 이런 결과를 얻을 수 있었던 적은 없었습니다.”라고 말했다.

누군가가 바이러스에 감염되거나 백신을 접종받으면 면역 체계는 외부 침입자를 인식하기 위해 새로운 항체를 생성한다. 어떤 항체는 병원체에 잘 작용하는 반면, 어떤 항체는 약하게 부착한다. 가장 효과적인 항체가 바이러스의 어떤 부위에 부착하는지 정확히 파악하는 것은 백신 최적화를 시도하는 과학자들에게 중요한 정보다. 강력하고 신뢰할 수 있는 면역 반응을 유도하는 백신을 설계하고자 하기 때문이다.

스크립스 연구소 대학원생이자 이번 논문의 주저자인 리 세월은 “어떤 특정 항체가 바이러스에 대한 가장 보호적인 반응을 일으키는지 알면, 그 항체를 유발하는 새로운 백신을 개발할 수 있다.”고 말했다.

2018년, 워드의 연구실은 전자현미경 기반 다클론 에피토프 맵핑(EMPEM)이라는 기술을 선보였다. 이 방법을 통해 과학자들은 혈액 샘플 내 항체가 바이러스에 어떻게 부착하는지 시각화할 수 있었다. 획기적이었지만, 단점도 있었다. 완료하는 데 꼬박 일주일이 걸렸고, 비교적 많은 양의 혈액이 필요했다.

“COVID-19 팬데믹 동안 우리는 이 작업을 더 빨리 처리할 방법을 간절히 원하기 시작했습니다. 우리는 처음부터 설계하기로 결정했습니다.”라고 이 연구를 이끈 스크립스 연구소 소속 과학자 알바 토렌트스 데 라 페냐는 말한다.

미세유체 전자현미경(EM) 기반 다클론 에피토프 맵핑(mEM)으로 알려진 이 새로운 시스템을 통해 연구진은 사람이나 동물에게서 채취한 혈액 4마이크로리터(μL)를 이용하여 연구를 시작했다. 이는 기존 EMPEM에 필요한 양보다 약 100배 적은 양이다. 이 혈액은 바이러스 단백질이 특수 표면에 부착된 작고 재사용 가능한 칩에 주입된다. 혈액이 칩을 통과하면서 항체가 이 단백질을 인식하고 결합한다. 그런 다음, 항체가 부착된 바이러스 단백질은 칩에서 부드럽게 분리되어 표준 전자현미경을 이용한 이미징을 위해 준비한다. 전체 과정은 약 90분밖에 걸리지 않는다.

연구팀은 mEM의 가치와 효과를 검증하기 위해 이 시스템을 사용하여 인플루엔자, SARS-CoV-2, HIV를 포함한 바이러스에 감염되었거나 백신 접종을 받은 사람과 생쥐의 항체를 매핑했다. 이 새로운 기술은 항체와 바이러스 간의 상호작용을 빠르게 매핑할 뿐만 아니라 EMPEM보다 민감도가 더 높았다. EMPEM으로는 포착되지 않았던 인플루엔자 및 코로나바이러스 단백질 모두에서 새로운 항체 결합 부위를 발견했다. 연구팀은 각 생쥐가 병원균에 대한 백신을 접종받은 후 시간이 지남에 따라 항체가 어떻게 진화했는지 추적하기 위해 여러 시점에서 생쥐로부터 소량의 혈액 샘플을 채취했다.

“EMPEM에 필요한 혈액량 때문에 과거에는 불가능했을 일이죠.그래서 개인의 시간을 추적할 수 있다는 게 정말 흥미로웠어요.”라고 시월은 말했다.

연구진은 현재 시스템을 자동화하고 다중화하는 연구를 진행 중이며, 이를 통해 수십 개의 샘플을 동시에 처리할 수 있게 될 것이다. 궁극적으로 mEM은 코로나바이러스부터 말라리아에 이르기까지 다양한 병원균의 백신 개발을 모니터링하고 유도하는 데 널리 사용되는 도구가 될 것으로 예상한다.

토렌트 데 라 페냐는 “이 기술은 샘플 양이 매우 제한적이거나 초기 결과를 빠르게 얻어야 하는 모든 상황에서 유용합니다. 이 기술이 간소화되고 간소화되어 더 많은 연구자가 활용할 수 있기를 바랍니다.”라고 덧붙였다.

항체-바이러스 당단백질 복합체의 신속하고 고처리량 매핑을 위한 전자 현미경과 결합된 미세유체공학 연구의 자인 워드, 세월, 토렌트 데 라 페냐 외에도 스크립스 연구소 의 레베카 데 파이바 프로스 로차, 그레이스 깁슨, 미셸 루이, 산드야 방가루, 앤디 S. 트랜, 가브리엘 오조로프스키, 블랑카 초카로 루이스, 나단 보이틀러, 토마스 F. 로저스, 데니스 R. 버튼, 앤드류 B. 워드; MGH, MIT, 하버드의 라곤 연구소의 젠페이 시에와 파쿤도 D. 바티스타; 예일대학교 의대의 수바시스 모한티와 앨버트 C. 쇼가 참여했다.

참조:
Leigh M. Sewall, Rebeca de Paiva Froes Rocha, Grace Gibson, Michelle Louie, Zhenfei Xie, Sandhya Bangaru, Andy S. Tran, Gabriel Ozorowski, Subhasis Mohanty, Nathan Beutler, Thomas F. Rogers, Dennis R. Burton, Albert C. Shaw, Facundo D. Batista, Blanca Chocarro Ruiz, Alba Torrents de la Peña, Andrew B. Ward. Microfluidics combined with electron microscopy for rapid and high-throughput mapping of antibody–viral glycoprotein complexes. Nature Biomedical Engineering, 2025; DOI: 10.1038/s41551-025-01411-x