빨라지는 초고령 사회… 건강한 노년 생활, 천연물에 ‘답’ 있다[한국과학기술연구원(KIST) 함께하는 과학 다이브]

기대수명보다 건강수명 늘리려면

만성질환, 개인 넘어 국가에 부담
완치보다 증상 완화 치료에 집중
천연물, 만성질환에 효과적 대응
신비한 구조, 신약 후보물질 주목

KIST 강릉연구소, 기술개발 앞장
한국산 천연물 신약 ‘장애물’ 극복
인공지능으로 인체 내 작용 예측
원료 표준화 통해 연구 신뢰 확보

올해 7월 우리나라의 65세 이상 노인 인구가 1000만명을 넘어섰다. 2025년에는 대한민국 전체 인구의 20%가 노인인 초고령 사회에 진입한다. 전남, 전북, 경북, 강원, 부산 등의 지자체는 한발 앞서 이미 초고령 사회에 들어선 상태다. 보건복지부의 경제협력개발기구(OECD) 보건통계(2023)에 따르면 우리 국민의 기대수명은 83.6년이다. 반면 e-나라지표에 따르면 신체적·정신적으로 건강하게 생활할 수 있는 건강수명은 72.5년에 그치고 있다. 질병과 장애로 고통받는 유병 기간이 11.1년이나 되는 것이다.

●만성질환, 전 세계 의료비 70% 차지

한국인의 보편적인 장수가 사회적 부담이 아닌 축복이 되기 위해서는 ‘기대수명’의 연장 이상으로 노년에도 건강하고 독립적인 삶을 유지할 수 있는 ‘건강수명’의 증진이 중요하다. 이를 위해서는 특히 고령화에 수반되는 만성질환에 대한 정책적 대응이 필수적이다. 장기적인 관리와 치료가 필요한 만성질환은 개인의 삶의 질 저하를 넘어 이미 과부하 상태인 국가 의료 시스템 전반에 더 큰 부담으로 작용할 수밖에 없다. 이는 비단 세계에서 고령화 속도가 가장 빠른 한국만의 문제가 아니다. 세계보건기구(WHO)는 지구촌 전반의 고령화 추세 속에 노인성 만성질환이 전 세계 의료비 지출의 약 70%를 차지하는 것으로 추산하고 있다.

암, 당뇨병, 뇌졸중, 심혈관질환 등의 만성질환은 대체적으로 발병 원인이 불명확하고 발생 시점도 정확히 알기 어렵다. 따라서 완치보다는 증상 완화에 치료와 관리의 초점을 맞춰야 한다. 이런 만성질환에 효과적으로 대응할 수 있는 소재가 바로 ‘천연물’이다. 자연계의 생명체들은 천적과 환경 스트레스로부터 스스로를 보호하기 위해 2차 대사산물을 생성한다. 인류 역시 오래전부터 자연의 선물인 생합성 천연물의 약효를 질병의 치료와 안정적 관리에 이용해 왔다. 이집트와 로마인들이 약재로 쓴 버드나무 껍질에서 유래된 소염진통제 아스피린이 대표적이다. 주목에서 유래한 항암제 탁솔도 유명하다. 코로나바이러스 치료제 렘데시비르와 팍스로비드 역시 천연물을 인공적으로 합성하는 천연물 전합성 연구를 바탕으로 만들어졌다. 양귀비에서 추출하던 천연물 모르핀과 커피 성분 카페인도 이제 많은 양이 인공적으로 합성돼 의약품과 식품 대량생산에 이용되고 있다.

천연물 전문 국제 과학저널(Journal of Natural Products)의 분석으로는 1981년부터 2019년까지 미국 식품의약국(FDA)에서 승인한 암 분야 저분자 신약 185개 중 약 65%가 이런 천연물 혹은 천연물 기반의 화합물이다. 이는 자연이 선사하는 신비하면서도 매우 복잡한 구조의 천연물이 현재까지 알려진 의약품뿐만 아니라 새로운 신약 후보물질이나 활성구조를 발견할 수 있는 매우 광활한 신대륙이라는 사실을 잘 보여 주고 있다. 우리나라의 대표적인 천연물 기반 의약품으로는 SK케미칼의 골관절염 치료제 조인스정과 동아제약의 위염 치료제 스티렌이 꼽힌다.

천연물의 이런 다중성분(Multi-components)과 다중타깃(Multi-targets) 특성은 만성질환 대응 약물로서의 큰 장점이다. 하지만 신약으로서 인정받는 데에 가장 큰 허들로도 작용한다. 천연물의 구조가 매우 복잡하기 때문에 학술적으로 천연물 속의 구성성분들을 하나하나 분리해서 각각의 성분들이 어느 지점에서, 어떤 방식으로 작용하는지를 모두 증명하는 것이 극히 어렵기 때문이다. 이런 어려움은 마치 모래사장에서 바늘을 찾는 것에도 비유되곤 한다. 그만큼 연구 호흡도 길고 논문도 내기 힘든 분야이다.

●천연물 기반 화합물 DB로 만들어

세계 무대에 진출할 수 있는 한국산 천연물 신약의 탄생을 위해서는 이런 장벽을 극복해야 한다. 우리나라에서는 천연물 전문 정부출연연구소인 한국과학기술연구원(KIST) 강릉 천연물연구소가 앞장서고 있다. 강원 지역의 풍부한 천연물 자원 접근성을 고려해 강릉에 자리잡은 이곳에서는 현재 과학적이고 표준화된 소재 공급 기술부터 인공지능(AI)을 활용한 작용기전 규명까지 천연물 식의약품 개발 전 주기에 걸친 기반기술 연구가 이뤄지고 있다. 최근에는 임무 중심 연구소인 천연물신약사업단의 출범과 함께 국내 천연물 식의약품 개발의 전진기지 역할이 더욱 강화되고 있다.

이곳의 연구개발 움직임에서 특히 더 주목받고 있는 것은 멀티오믹스 및 네트워크 파마콜로지 등 바이오 분석기술을 활용한 작용기전 규명 연구와 함께 새롭게 시도되고 있는 AI를 활용한 작용기전의 예측이다. 천연물의 과학적 규명을 위해 설계된 연구 시스템(NPI-Finder)은 천연물 내 물질들의 각 생리활성을 직접적으로 일일이 검증하는 기존의 연구 방식에서 탈피해 천연물의 구성 성분들이 생체 내에서 어떤 기능을 수행하는지에 대한 분자 수준의 정보를 예측할 수 있게 하고 있다.

이 시스템은 대규모의 문헌 정보로부터 천연물의 성분 정보를 추출해 수십만 개의 천연 유래 화합물 정보를 데이터베이스로 만든 것이다. 이를 기반으로 최신의 AI 도구를 활용해 천연물 화합물과 단백질의 상호작용 정보를 대규모로 예측할 수 있다. 효율적으로 천연물 추출물의 인체 내 기전을 규명할 수 있다. 연구진은 이런 효율적인 천연물 추출물의 인체 내 작용기전 규명이 글로벌 천연물 신약 탄생의 중요한 마중물이 될 것으로 기대하고 있다.

천연물 신약 개발의 또 다른 난제는 원료의 표준화이다. 농업의 형태로 재배하는 천연물은 기후와 환경에 따라 그 성분함량의 변화가 극명하게 차이가 날 수 있다. 따라서 원료의 표준화는 신약 개발의 품질, 안전성, 유효성을 보장하고 연구의 신뢰성을 확보하는 데 매우 중요하다. 성분함량의 균일성을 확보하기 위해서는 재배, 수확, 처리, 추출, 가공에 이르는 모든 과정에서 표준화가 필요하며 특히 식물재배 단계에서 표준재배법을 통한 정밀한 생산관리가 중요하다.

살아 있는 생명체인 식물을 매번 기계로 찍어내듯 똑같이 재배하는 것은 사실상 불가능한 일이다. 하지만 천연물 성분 즉 유효성분들이 일정한 범위 내로 유지될 수 있도록 관리하는 것은 신약 개발의 관점에서 매우 중요하다. 이에 따라 농림축산식품부는 국가적으로 천연물 표준화를 지원하기 위해 ‘천연물소재 전주기 표준화 허브 구축 사업’을 공모했으며, KIST 강릉 천연물연구소를 품고 있는 강원 강릉시가 1호 허브로 선정돼 천연물 생산 기업의 표준화 지원을 적극적으로 추진하고 있다.

표준화된 원료 생산은 식량위기 대응의 유력한 수단으로도 주목받고 있는 식물공장이 효과적인 대안이 될 수 있다. 식물공장은 단위면적당 생산량을 높이는 것뿐만 아니라 유효성분의 함량을 극대화한 원료 재배를 가능케 한다. 통제된 환경 속에서 재배가 이뤄지기 때문에 노지 재배보다 매우 균일하게 고품질의 식물을 생산할 수 있으며 외부와 격리된 공간에서 재배가 이뤄지기 때문에 병해충, 농약, 중금속 등의 오염물질 혼입 가능성도 매우 낮아지게 된다. 이는 생물 유전자원에 대한 권리를 담고 있는 나고야 의정서 발효에 따라 해외 식물의 원재료 수입 및 제품 수출에 상당한 제약이 불가피한 가운데 주요 생약식물의 국내 재배 시스템 확보, 국내 기후에 적응하지 못하는 해외 유래 식물의 안정적인 재배에도 매우 효과적인 대응 수단이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

물론 식물공장에도 장점만 있는 것은 아니다. 노지 재배에 비해 초기 투자액과 유지비용이 높기 때문에 여전히 사업성은 낮은 상황이다. 하지만 다양한 관련 기술 개발로 산업 환경이 급성장하고 있는 만큼 향후 천연물 원료생산의 중요한 수단이 되는 것은 시간문제일 것이라 예상하고 있다.

●세계 천연물 의약품 시장 급성장

천연물은 화합물뿐 아니라 추출물 그 자체로도 다양한 성분이 다수의 작용점에 작용하는 효능을 갖고 있어 노화에 따른 만성질환 관리에 효과적이라고 알려져 있다. 많은 이들이 상시 복용하는 홍삼 추출물 진액이 좋은 예이다. 이런 믿음을 반영하듯 우리나라의 천연물 기반 건강기능식품 시장은 특히 코로나19 팬데믹 시기 급성장하며 2023년 6조 2000억원 규모까지 확대됐다. 또한 가구당 한 번이라도 건강기능식품을 구매했거나 구매할 예정임을 반영하는 구매경험률도 81.2%에 달하며 천연물에 대한 신뢰와 기대가 더욱 높아지고 있음을 알 수 있다.

이런 급격한 성장세는 국제 천연물 의약품 시장도 마찬가지이다. 글로벌 시장조사기관 포천 비즈니스 인사이트에 따르면 글로벌 천연물 의약품 시장은 2023년 2164억 달러, 2024년 2330억 달러, 2032년 4370억 달러 규모로 연평균 8.17%의 고성장을 거듭할 것으로 전망되고 있다.

우리나라는 비교적 이른 시기인 지난 2000년 ‘천연물신약연구개발특별법’을 제정하며 다부처가 참여하는 천연물 신약 개발사업에 착수한 바 있다. 전통의약 지식 분야에서 미국·유럽과 비교해 상대적 우위와 경쟁력 확보가 가능하다는 판단 아래 천연물신약을 국가 기간산업으로까지 발전시키겠다는 청사진이었다. 하지만 그간 사업 전반의 재점검 등 크고 작은 굴곡 속에 천연물신약 연구개발 촉진법의 가장 큰 목적이었던 ‘국민건강 증진과 국가경제 발전에 기여’는 이제 법령상의 정의로만 남아 있을 뿐 그 의미가 크게 퇴색된 상태라 할 수 있다.

전 세계에서 가장 빠른 속도로 초고령 사회로 향하고 잇는 우리나라는 최저 출산율까지 더해지며 2030년께 이웃 나라 일본을 제치고 세계에서 노령화 지수가 가장 높은 ‘노인대국’이 될 것이 점점 더 확실시되고 있다. 초고령 사회의 가장 큰 국가적 난제가 될 만성질환 증가에 대응하기 위해서는 천연물 신약 연구개발의 역량 강화를 위한 정책적 관심과 지원이 더욱 절실한 상황이다.

■정상훈 단장은

천연물로부터 신약 및 개별인정형 건강기능식품 개발 전문가로 KIST에서 20년간 천연물 분야 원천기술 연구를 수행해 왔다. 녹내장, 안구건조증 및 황반변성에 유효한 천연물 소재 개발 및 산업화 연구를 추진하고 있으며 최근에는 안구건조에 유효한 천연물 소재를 기반으로 개별인정형 건강기능식품을 개발했다. 또한 국내 최초의 경구용 녹내장 천연물 치료제를 개발해 IND 승인을 받은 바 있다.

정상훈 KIST 천연물신약사업단장

정상훈 KIST 천연물신약사업단장