6강 / 20강

밀리초 안에 갇힌다 — 봉입은 문을 닫는 일이 아니다

제11장 「닫힐 자리에 함께 있었기 때문에 갇힌 것이다」

소설이 이 대목에서 낱말 하나를 바로잡습니다.

"mRNA를 나노입자 안에 넣는다 는 말은 어감이 잘못됐다. 누가 뚜껑을 열고 집어넣는 것이 아니다. 빈 캡슐이 먼저 있고 거기에 화물을 담는 것도 아니다. 화물과 껍데기는 같은 순간에 함께 생긴다."

이 강은 그 '같은 순간' 이 어떻게 만들어지는지를 봅니다.

고등학생캡슐에 넣는 게 아니라 같이 갇히는 것

"약을 나노입자에 넣는다" 고 하면 이런 그림이 떠오릅니다 — 빈 캡슐을 열고 약을 넣고 닫는다.

완전히 틀린 그림입니다.

틀린 그림	맞는 그림
빈 캡슐이 먼저 있다	캡슐은 없었다
약을 넣는다	약과 껍데기가 동시에 생긴다
뚜껑을 닫는다	닫힐 자리에 마침 함께 있었다

비유를 하나 들면

눈사람을 굴릴 때 낙엽이 안에 들어가는 것과 비슷합니다. 낙엽을 넣은 게 아니라, 눈이 뭉쳐질 때 거기 있었기 때문에 들어간 거예요.

두 액체

에탄올 쪽

지질 네 가지가 녹아 있다.
SM-102 50 · DSPC 10 · 콜레스테롤 38.5 · PEG-DMG 1.5 (몰비)

물 쪽

pH 4 의 산성 완충액. 그 안에 IVT 로 만든 mRNA.

pH 4. 이 숫자가 전부다

4강에서 계산했듯, pH 4 는 pKa 6.68 보다 한참 아래입니다. 그러니 이 완충액 안에서 SM-102 는 99.8% 양전하입니다. mRNA 는 음전하 950개짜리 사슬입니다. 3강의 복합체가 여기서 만들어집니다.

지질이 갈 곳을 잃는 순간

두 액체가 만나면 무슨 일이 일어날까요? 에탄올이 묽어집니다.

지질은 에탄올에는 녹고 물에는 안 녹습니다. 유량비 3:1 로 만나면 합쳐진 직후 에탄올 농도가 25% 로 떨어집니다. 대략 40% 아래로 내려가는 순간 지질은 더 이상 녹아 있을 수 없게 됩니다.

녹아 있을 수 없다 → 서로에게 달라붙는다

그런데 그 자리에는 이미 양전하 SM-102 와 음전하 mRNA 가 손을 잡고 있습니다. 그래서 지질이 뭉칠 때 mRNA 가 안쪽으로 함께 말려 들어갑니다.

이것이 봉입입니다 — 문을 닫아 가둔 것이 아니라, 닫힐 자리에 함께 있었던 것입니다.

고등학생지질이 갈 곳을 잃는 순간

왜 지질이 갑자기 뭉칠까요? 녹아 있을 수 없게 되기 때문입니다.

지질은	어디에
에탄올(알코올)에는	녹는다
물에는	안 녹는다

지질을 에탄올에 녹여 놓고 물과 섞으면 어떻게 될까요? 에탄올이 묽어져서 지질이 갈 곳을 잃습니다. 그래서 서로에게 달라붙습니다.

기름 뜨는 것과 같은 원리입니다

미역국 위에 기름방울이 뭉치는 것 — 기름끼리 좋아서가 아니라 물이 싫어서 어쩔 수 없이 뭉치는 겁니다.

그런데 그 순간 근처에 mRNA 가 이미 붙어 있었습니다. 그래서 같이 말려 들어갑니다.

이 모든 일이 1,000분의 몇 초 안에 끝납니다

왜 비커에 부으면 안 되나

이 뭉침은 밀리초 만에 끝납니다. 그래서 언제 어디서 섞였느냐가 그 입자의 크기를 정합니다.

비커에 붓고 젓기

어떤 자리는 먼저 섞이고 어떤 자리는 나중에 섞입니다. 먼저 생긴 덩어리가 나중에 도착하는 지질을 계속 받아 먹으며 커집니다. → 소설 9장의 210 nm · PDI 0.31

마이크로유체 채널

머리카락보다 가는 통로 두 개가 Y자로 만나고, 바닥의 갈매기 홈이 흐름을 접고 또 접습니다. 종이를 스무 번 접으면 백만 겹이 되는 이치. 모든 mRNA 가 같은 순간에 같은 조건을 만납니다.

마이크로유체 채널이 존재하는 이유는 그것 하나입니다 — 속도가 아니라 균일함.

PEG-DMG 가 크기를 정한다

지질 덩어리는 가만두면 계속 큽니다. 옆의 덩어리와 만나면 합쳐지니까요. PEG-DMG 는 표면에 붙어서 더 붙지 못하게 막습니다.

PEG 를 많이 넣으면 일찍 멈춰 작아지고, 적게 넣으면 늦게 멈춰 커진다

소설의 문장 — "1.5퍼센트. 그 숫자가 91나노미터를 만들었다."

마지막 — 산을 걷어낸다

만들어진 입자는 아직 pH 4 완충액 안에 있습니다. 표면이 양전하죠. 이대로 몸에 넣으면 안 됩니다(12강·7강).

접선 흐름 여과로 완충액을 갈아냅니다. pH 4 가 빠지고 pH 7.4 인산 완충액이 들어옵니다. SM-102 가 쥐고 있던 양성자를 놓고, 전하가 사라집니다.

🤫

바깥

중성. 아무것도 끌어당기지 않는다

🔒

안쪽 코어

mRNA 가 SM-102 와 엉킨 채 갇혀 있다

바깥은 조용하고 안은 단단합니다. 이 상태로 몸에 들어갑니다.

곡선이 40% 선을 지나는 시각이 '뭉침 시작' 입니다. 유량비가 그 시각을 앞당깁니다.

Python 브라우저에서 실행

# 에탄올이 묽어지는 곡선과, 그 위에서 지질이 뭉치기 시작하는 지점.
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def ethanol_after_mix(ratio):
    # 유량비 ratio:1 (물:에탄올) 로 만나면 에탄올은 1/(ratio+1) 로 묽어진다
    return 100.0/(ratio + 1.0)

print(f'{"유량비":>8}{"혼합 직후 에탄올":>18}{"뭉침 시작(<40%)":>18}')
for r in (1, 2, 3, 4, 6, 9):
    e = ethanol_after_mix(r)
    print(f"{r:>6}:1{e:>16.1f}%{'  즉시' if e < 40 else '  아직 녹아 있음':>18}")
print()

# 뭉침이 빠를수록 입자는 작고 촘촘해진다 -- 5강의 겉보기 pKa 와 이어집니다
t = np.linspace(0, 3, 300)                 # ms
fig, ax = plt.subplots(figsize=(8.5, 3))
for r, c in ((1, "tab:red"), (3, "tab:orange"), (4, "tab:green")):
    e0 = ethanol_after_mix(r)
    # 채널을 지나며 남은 에탄올이 더 희석된다고 보고 지수 감소로 어림
    ax.plot(t, e0*np.exp(-t/0.55), lw=2, color=c, label=f"{r}:1  (start {e0:.0f}%)")
ax.axhline(40, ls="--", c="gray"); ax.annotate("40% — assembly starts", (1.6, 43), fontsize=8, color="gray")
ax.set_xlabel("time after junction (ms)"); ax.set_ylabel("ethanol (%)")
ax.legend(fontsize=8); plt.tight_layout(); plt.show()

print("유량비를 3:1 에서 4:1 로 올리면 뭉침이 더 급하게 일어납니다.")
print("급하게 뭉칠수록 코어가 촘촘해지고, 촘촘하면 겉보기 pKa 가 내려갑니다 (5강).")
print("19강에서 폴이 바꾼 세 가지 중 첫째가 이것입니다.")

고등학생위 코드가 방금 무슨 일을 했나요

물과 에탄올을 어떤 비율로 섞으면 에탄올 농도가 얼마가 되는지 계산하고, 그게 40% 아래로 언제 떨어지는지 그렸습니다.

유량비 (물:에탄올)	섞인 직후 에탄올	뭉치나
1:1	50%	아직
3:1	25%	즉시
4:1	20%	더 급하게

'더 급하게' 가 왜 중요한가

급하게 뭉치면 더 촘촘한 덩어리가 됩니다. 급히 짐을 싸면 빽빽해지는 것처럼요.

그리고 5강에서 배웠죠 — 촘촘하면 겉보기 pKa 가 내려갑니다.

19강에서 폴이 바꾼 세 가지 중 첫째가 바로 이 유량비입니다.

🤔 확인 문제

'봉입(encapsulation)' 이 실제로 일어나는 방식으로 가장 정확한 것은?

🤔 확인 문제

마이크로유체 채널을 쓰는 가장 중요한 이유는?