바이오의약품 생산용 세포에서 특정 유전자 하나를 제거하자 단백질 생산량이 최대 2배, 세포당 생산성은 최대 3배 높아졌다. 

싸토리우스(Sartorius)가 유전자 편집 기술로 개발한 차세대 중국햄스터난소(CHO) 숙주세포주의 성능이다. 생산설비를 확대하거나 세포 수를 늘리는 기존 방식에 더해, 세포 자체의 단백질 생산능력을 높여 바이오의약품 제조 효율을 개선하는 기술이다.

싸토리우스 스테딤 셀카(Sartorius Stedim Cellca GmbH)의 야시 D. 파텔(Yash D. Patel) CHO 세포주 개발 서비스 제품 관리자는 최근 서울 코엑스에서 열린 '바이오플러스-인터펙스 코리아 2026(BIX 2026)' 인사이트 세션에서 유전자 편집 기반 신규 CHO 숙주세포주 개발 성과를 발표했다.

싸토리우스는 지난 3월 출시한 신규 CHO 숙주세포주의 개발 과정과 생산 성능을 소개했다. 유전자 표적 발굴과 생산 클론 선별, 단백질 품질과 장기 안정성, 배양 규모 확대 및 공정 적용 결과를 공개했다.

파텔 박사는 "우리의 목표는 포유류 숙주세포의 특성을 선택적으로 조절해 단백질 생산능력을 높이고, 더욱 효율적인 CHO 세포 생산 시스템을 구축하는 것"이라며 "유전자 편집으로 숙주세포 자체의 성능을 개선하고, 이를 세포주 개발 플랫폼의 경쟁력 강화로 연결하고 있다"고 밝혔다.

1254개 단백질 분석, 생산성 높이는 유전자 하나 찾아냈다

이번 기술은 세포가 자체 단백질 생산에 사용하는 자원을 치료용 단백질 생산에 활용한다는 발상에서 출발했다.

CHO 세포는 항체와 재조합 단백질 등 바이오의약품 생산에 널리 사용하는 포유류 세포다. 치료용 단백질 유전자를 도입하면 해당 단백질을 발현하고 분비하도록 만들 수 있다. 숙주세포의 유전적 특성과 단백질 발현능력은 최종 생산량을 좌우하는 주요 요인이다.

싸토리우스는 숙주세포가 자연적으로 생산하는 단백질 중 에너지와 세포 내 생산 자원을 많이 소비하는 단백질을 줄이면 치료용 단백질 생산능력을 높일 수 있다고 판단했다.

파텔 박사는 "세포가 자체 단백질을 생산하고 분비하는 데 상당한 자원을 사용한다는 점에 주목했다"며 "이 가운데 에너지 소모가 큰 단백질의 발현을 줄이면 그 자원을 우리가 원하는 재조합 단백질 생산에 활용할 수 있다는 가설에서 연구를 시작했다"고 설명했다.

연구진은 서로 다른 치료용 단백질을 발현하는 세포 클론 4개를 14일간 유가식 배양(fed-batch culture)했다. 유가식 배양은 배양 중 영양분을 추가로 공급해 세포 성장과 단백질 생산을 유지하는 방식이다.

이어 액체크로마토그래피-질량분석법(LC-MS)으로 단백질 발현 양상을 분석했다. 총 1254개의 내인성 단백질을 확인했고, 이 가운데 발현량이 많고 세포 밖으로 분비되는 단백질 67개를 유전자 편집 대상으로 선별했다.

연구진은 크리스퍼(CRISPR-Cas) 유전자 편집 기술로 67개 유전자를 하나씩 제거하고 항체 생산량 변화를 평가했다.

35개 유전자는 제거해도 생산량에 영향이 없었다. 23개는 생산량 감소나 세포 사멸 등 부정적인 결과가 나타났다. 나머지 8개는 비표적 편집 등의 문제로 정확한 영향을 판단하기 어려워 평가에서 제외했다.

반면 특정 유전자 1개를 제거하자 항체 생산량과 세포당 생산성이 크게 증가했다. 연구진은 이 유전자를 제거한 세포를 단일세포 클로닝하고, 생산 성능이 높은 클론을 선별해 신규 숙주세포주를 확립했다.

단백질 발현에 관여하는 유전자를 추가하거나 발현량을 높이는 대신, 특정 유전자를 제거해 생산능력을 개선했다는 점이 특징이다. 제거한 표적 유전자의 구체적인 명칭은 이번 발표에서 공개하지 않았다.

세포 수 적어도 생산량 증가…이중특이항체까지 효과 확인

싸토리우스는 신규 숙주세포주의 생산성 개선 효과가 특정 항체에만 국한되는지 확인하기 위해 서로 다른 단백질 4종을 평가했다.

평가 대상은 면역글로불린 G1(IgG1), 면역글로불린 G4(IgG4), 이중특이항체, Fc 융합단백질이다. 초기 안정 발현 세포집단(stable pool) 평가에서 기존 숙주세포주보다 단백질 생산량은 평균 2배, 세포당 생산성은 평균 3배 높았다.

단백질 생산량은 배양액 단위 부피당 단백질 농도인 역가(titer)로 평가한다. 세포당 생산성(qP)은 개별 세포가 단위 시간에 생산하는 단백질의 양이다. 두 지표는 구분해야 한다.

특히 신규 숙주세포주는 기존 세포보다 낮은 세포 밀도에서도 더 많은 단백질을 생산했다. 세포를 더 많이 증식시키지 않고도 치료용 단백질 생산량을 늘린 것이다.

파텔 박사는 "신규 숙주세포주는 기존보다 세포 밀도가 낮은 조건에서도 더 많은 단백질을 생산했다"며 "중요한 것은 세포 수를 늘리는 것이 아니라 세포 하나하나의 생산능력을 높였다는 점이다. 이를 통해 배양액당 생산량을 높이면서도 전체 세포량은 줄일 수 있었다"고 강조했다.

최종 생산 클론을 선별하는 세포주 개발(Cell Line Development, CLD) 전 과정에서도 성능 개선을 확인했다. 서로 다른 3개 단백질을 평가한 결과, 생산량은 기존 대비 40~80%, 세포당 생산성은 170~280% 증가했다.

초기 세포집단뿐 아니라 실제 생산에 활용할 최종 클론에서도 높은 생산능력을 확보했다. 이중특이항체와 Fc 융합단백질 등 구조가 복잡한 바이오의약품에서도 생산성을 높였다는 점에서 활용 범위가 넓다.

단백질 품질 유지하며 70세대 안정성 확보…제조공정 적용성 확인

바이오의약품 생산에서는 단백질 생산량뿐 아니라 품질과 장기 안정성도 중요하다. 생산량이 증가하더라도 단백질 응집이나 당화 구조에 변화가 생기면 제품 품질에 영향을 줄 수 있다.

싸토리우스는 신규 숙주세포주에서 생산한 단백질의 단량체 비율, 응집체, N-당화 구조, 전하 변이체 등을 분석했다. 기존 숙주세포주와 주요 품질 특성이 유사했고, 생산량 증가에 따른 뚜렷한 품질 저하도 나타나지 않았다.

파텔 박사는 "단백질 생산량을 아무리 높여도 제품 품질이 유지되지 않으면 기술적 이점이 없다"며 "이번 신규 숙주세포주는 생산량과 세포당 생산성을 크게 높이면서도 단량체 비율과 당화 구조, 전하 변이체 등 주요 품질 특성에서 기존 플랫폼과 유사한 결과를 확보했다"고 말했다.

장기 배양 안정성도 확인했다. 발표에서 제시한 대표 클론의 70세대 안정성 평가에서는 대부분 설정한 생산량 변동 기준인 ±20% 범위를 충족했다. 싸토리우스 공식 기술자료에서도 평가 클론의 90% 이상이 장기간 단백질 발현 안정성을 유지했다.

특히 유전체에 삽입된 목적 유전자의 복제 수가 7~29개 수준에서도 높은 생산성을 기록했다. 일부 IgG4 생산 클론은 약 10~11개의 유전자 복제 수로 배양액 1L당 7g 이상의 단백질을 생산했다.

생산량 증가가 단순히 유전자 복제 수 확대에 따른 결과가 아니라 숙주세포 자체의 단백질 생산능력 개선과 관련 있다는 점을 뒷받침한다.

배양 규모 확대 시험에서도 성능을 유지했다. 연구진은 IgG4 생산 클론을 250mL, 5L, 50L 배양 시스템에서 평가했다. 세포 성장과 생존율, 단백질 생산량 및 주요 품질 특성이 유사했다.

배양 규모가 달라져도 생산성과 품질을 유지한 결과는 향후 대규모 제조공정으로 기술을 이전하는 데 중요한 근거다.

생산량 26.7% 늘리고 배양 3일 단축…관류배양도 적용

신규 숙주세포주의 생산성 개선 효과는 공정을 강화한 조건에서도 이어졌다.

싸토리우스는 N-1 단계 관류배양으로 세포를 높은 밀도까지 증식시킨 뒤 본 생산공정에 투입하는 강화 유가식 배양(intensified fed-batch)을 적용했다. 기존 유가식 배양보다 단백질 생산량은 26.7% 증가했고, 배양 기간은 3일 단축됐다.

생산량은 배양액 1L당 약 6g에서 8g으로 늘었다. 신규 숙주세포주의 생산능력에 공정 최적화를 더해 추가 생산량을 확보했다.

관류배양(perfusion culture)에서도 생산성을 확인했다. 관류배양은 새로운 배지를 지속적으로 공급하고 사용한 배지를 배출하면서 세포를 유지해 장기간 단백질을 생산하는 방식이다.

연구진은 28일간 관류배양을 진행하며 mL당 약 6000만개의 세포 밀도와 80% 이상의 생존율을 유지했다. 일일 체적당 생산성은 약 2g/L/day를 기록했다. 기존 숙주세포주 유래 클론보다 생산량과 일일 생산성이 약 2배 높았다.

파텔 박사는 "이번 기술의 생산성 개선 효과는 일반적인 유가식 배양에만 국한되지 않는다"며 "강화 유가식 배양에서는 생산량을 높이면서 배양 기간을 단축했고, 관류배양에서도 기존 숙주세포주 대비 약 2배 높은 생산성을 확인했다. 서로 다른 생산 방식에서 일관된 성능을 확보했다는 점이 중요하다"고 설명했다.

두 배양 방식에서 모두 성능을 확인하면서 공정 설계의 유연성도 높였다. 단백질 특성과 생산 목표에 맞춰 배양 방식을 선택하고, 기존 생산설비의 활용도를 높일 수 있는 기반이다.

345개 프로젝트 기반에 신규 기술 결합…글로벌 세포주 개발 시장 공략

싸토리우스는 신규 CHO 숙주세포주를 기존 세포주 개발 플랫폼에 통합하고 바이오의약품 개발기업을 대상으로 기술 공급과 사업화를 확대하고 있다. 숙주세포와 발현 벡터, 배지, 배양공정을 연결해 고객사의 신약개발과 상업 생산 진입을 지원하는 전략이다.

파텔 박사에 따르면, 싸토리우스는 16년간 345개 이상의 세포주 개발 프로젝트를 수행했다. 이 플랫폼을 활용한 물질 90개가 여러 임상개발 단계에 진입했고, 10개 물질은 시판허가를 획득했다. 바이오시밀러 개발 프로젝트도 30개를 수행했으며, 시판허가를 받은 10개 물질 중 3개가 바이오시밀러다.

파텔 박사는 "싸토리우스 플랫폼의 가장 큰 경쟁력은 16년간 축적한 세포주 개발 경험과 실제 의약품 상업화까지 이어진 성과"라며 "345개 이상의 프로젝트를 수행하며 다양한 단백질의 생산과 임상·규제 요구사항에 대응해 왔고, 이미 10개 물질의 시판허가를 지원한 기술 기반에 신규 숙주세포주를 결합해 생산 성능과 플랫폼 경쟁력을 더욱 높였다"고 강조했다.

싸토리우스의 세포주 개발 플랫폼은 신규 숙주세포주에 자체 발현 벡터 시스템, '4Cell SmartCHO' 배지, 바이오공정 설계 기술을 결합했다. 각 기술을 상호 최적화해 단백질 발현량과 생산 안정성을 높이고, 세포주 개발부터 공정개발과 제조공정 이전까지 지원한다. 기존 플랫폼에서는 최대 2000L 규모의 배양 확장 경험도 확보했다.

사업화 방식은 세포주 개발 서비스와 기술 라이선스 두 가지다. 독일 울름(Ulm)의 세포주 개발 시설에서 고객사의 세포주를 개발하거나, 고객사가 기술을 도입해 자체 연구시설에서 활용하도록 지원한다.

파텔 박사는 "고객사는 싸토리우스에 세포주 개발을 맡길 수도 있고, 기술 라이선스를 통해 자체 연구시설에서 직접 개발할 수도 있다"며 "우리 연구실에서 사용하는 숙주세포주와 발현 벡터, 배지, 공정 및 장비를 통합적으로 지원해 고객사도 동일한 기술 기반으로 세포주 개발부터 공정개발까지 수행할 수 있도록 하는 것이 핵심"이라고 밝혔다.