16강 / 20강

SM-102 — pKa 가 전부다. 다만 어느 pKa 인가

제11장 「SM-102. pKa 6.68」 → 겉보기 pKa 6.41

13강의 문제 3 이 남았습니다. 음전하 RNA 는 음전하 세포막을 못 지나간다.

가장 먼저 떠오르는 답은 양전하 지질로 감싸는 것입니다. 양전하가 음전하 RNA 를 붙잡고, 양전하가 음전하 세포막에 달라붙습니다. 1990년대에 실제로 그렇게 했습니다.

그리고 실패했습니다. 항상 양전하를 띠고 있는 입자는 혈액 속에서 아무 세포에나 달라붙고, 혈청 단백질을 뒤집어쓰고, 독성이 셉니다.

필요한 것은 때에 따라 전하를 바꾸는 지질이다

고등학생필요할 때만 켜지는 스위치가 필요하다

문제는 이겁니다. RNA 는 음전하, 세포막도 음전하. 같은 극끼리는 밀어냅니다. 못 들어갑니다.

가장 쉬운 답과 그게 실패한 이유

"양전하 기름으로 감싸면 되잖아?" — 실제로 1990년대에 그렇게 했습니다.

그런데 항상 양전하인 입자는 혈액 속에서 아무 데나 달라붙습니다. 혈관 벽에도, 단백질에도, 엉뚱한 세포에도. 독성이 셌습니다.

필요한 것	어디서
전하 없음	혈액 속을 돌아다닐 때
양전하	세포 안에 들어가서 막을 뚫을 때

즉 때에 따라 켜지고 꺼지는 스위치가 필요합니다. 그게 이온화 지질이에요.

고등학생pKa 는 스위치가 켜지는 지점이다

이온화 지질에는 아민이라는 부분이 있습니다. 이 부분의 성질이 전부입니다.

주변이	아민이	전하
산성 (pH 낮음)	양성자(H⁺)를 받음	+
중성 (pH 7.4)	양성자를 놓음	없음

pKa 는 그 경계 지점입니다

정확히는 절반이 양전하인 pH 입니다. SM-102 를 물에 풀어 재면 6.68 이에요.
(입자로 만들면 이 값이 내려갑니다 — 최종 배치는 6.41 이었어요.)

온도 조절기를 떠올려 보세요. 26도로 맞춰 두면 26도보다 더우면 켜지고, 서늘하면 꺼집니다. pKa 는 그 '26도' 에 해당합니다. 다만 온도 대신 산성도 로 켜지는 거예요.

pKa 6.68 = "산성도가 6.68 보다 세지면 켜진다"

SM-102 의 pKa 6.68 이 몸 안에서 하는 일

어디	pH	SM-102 의 상태	그래서
혈액·조직액	7.4	대부분 중성 (약 16%만 양전하)	아무 데나 안 달라붙는다. 면역계가 덜 알아본다. 독성이 낮다
초기 엔도솜	6.5	절반쯤 양전하	엔도솜 내막을 끌어당기기 시작
후기 엔도솜	5.5~6.0	대부분 양전하	막이 불안정해지고 터진다 — 엔도솜 탈출
리소솜	4.5~5.0	완전히 양전하	너무 늦다. 여기까지 오면 분해된다

표의 값은 헨더슨-하셀바흐 식 하나로 나옵니다 — pH 7.4 에서 양전하 비율은 1/(1+10^7.4−6.68) ≈ 0.16. 대부분 중성이라는 뜻입니다. 실제 입자의 제타 전위가 −2.1 mV 로 거의 중성인 것과 앞뒤가 맞습니다.

이야기의 11장에서 위기가 생긴 대목이 정확히 이 표의 타이밍입니다.

"개 수지상세포의 엔도솜은 인간 세포보다 약 15분 빨리 산성화됐다."

팔 교수의 진단: "SM-102 가 너무 일찍 양전하를 띠어서 막 표면에 달라붙어 버릴 수 있어요. 탈출 타이밍이 맞지 않는 거죠."

즉 pKa 자체가 나쁜 게 아니라, pKa 와 그 세포의 산성화 속도가 안 맞은 것입니다. 같은 지질이 사람 세포에서는 잘 되고 개 세포에서는 안 될 수 있습니다.

소설의 표현 — "열쇠가 맞지 않는 것이 아니었다. 열쇠를 문 앞이 아니라 복도에서 꺼낸 것이었다."

pKa 를 0.5 만 옮겨도 pH 6.5 에서의 양전하 비율이 크게 달라집니다. 그래서 지질 하나 고르는 게 큰일입니다.

Python 브라우저에서 실행

# Henderson-Hasselbalch 하나로 이 강의 전체가 설명됩니다.
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def charged_fraction(pH, pKa):
    # 양성자를 받은(=양전하) 비율
    return 1.0 / (1.0 + 10.0**(pH - pKa))

pH = np.linspace(4.0, 8.0, 400)
LIPIDS = {"SM-102 (Moderna)": 6.68, "ALC-0315 (Pfizer)": 6.09, "DLin-MC3-DMA (Onpattro)": 6.44}

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 3.2))
for name, pKa in LIPIDS.items():
    ax.plot(pH, charged_fraction(pH, pKa), lw=2, label=f"{name}  pKa {pKa}")
for x, lab in ((7.4, "blood"), (6.5, "early endo"), (5.5, "late endo")):
    ax.axvline(x, ls="--", c="gray", lw=.8); ax.annotate(lab, (x, 1.02), fontsize=7, ha="center")
ax.set_xlabel("pH"); ax.set_ylabel("protonated (+) fraction"); ax.legend(fontsize=7); ax.set_ylim(0, 1.12)
plt.tight_layout(); plt.show()

print(f'{"지질":<26}{"pH 7.4":>9}{"pH 6.5":>9}{"pH 5.5":>9}')
for name, pKa in LIPIDS.items():
    f = [charged_fraction(p, pKa) for p in (7.4, 6.5, 5.5)]
    print(f"{name:<26}{f[0]:>8.1%}{f[1]:>9.1%}{f[2]:>9.1%}")
print()
print("혈액에서 거의 0, 엔도솜에서 확 올라가는 것 -- 이 계단 하나가 전달의 핵심입니다.")

고등학생위 코드가 방금 무슨 일을 했나요

지질 세 가지의 양전하 비율을 pH 4~8 구간에서 그렸습니다. 세 선 모두 S자 계단 모양입니다.

어디	pH	SM-102 양전하
혈액	7.4	거의 0%
초기 엔도솜	6.5	절반쯤
후기 엔도솜	5.5	거의 전부

이 계단 하나가 전달의 전부입니다

혈액에서 꺼져 있으니 독성이 낮고, 엔도솜에서 켜지니 막을 뚫습니다.

그리고 세 지질의 선을 견줘 보세요. pKa 가 0.5 만 달라도 pH 6.5 에서의 양전하 비율이 꽤 달라집니다. 지질 하나 고르는 게 큰일인 이유입니다.

왜 pKa 6.5 언저리인가 — 좁은 창

pKa 가 너무 높으면 (7.5 이상)

혈액(pH 7.4)에서도 이미 양전하입니다. 아무 데나 달라붙고, 단백질이 뒤덮이고, 간에 걸리고, 독성이 올라갑니다. 1990년대 양이온 지질의 실패가 이것입니다.

pKa 가 너무 낮으면 (5.5 이하)

엔도솜이 거의 리소솜이 될 때까지 양전하가 안 됩니다. 탈출하기 전에 분해됩니다.

실제로 여러 이온화 지질을 만들어 견준 연구들에서 겉보기 pKa 6.2~6.5 근처가 가장 잘 듣는 것으로 반복해서 보고되었습니다.

그런데 어느 pKa 를 말하는 것인가

여기서 이 강의에서 가장 자주 뒤엉키는 구별이 나옵니다.

	분자 pKa	겉보기 pKa (apparent)
어떻게 재나	지질을 물에 풀어 적정	완성된 입자에 TNS 색소를 넣어 적정
무엇이 정하나	분자 구조 · 온도	위의 전부 + 표면 밀도 · 조성 · 곡률
SM-102 는	6.68	만드는 법에 따라 달라진다

입자 표면에서는 지질이 빽빽하게 붙어 있습니다. 이웃이 이미 양전하를 띠면 같은 부호끼리 밀어내서 다음 분자가 양성자를 받기 어려워집니다. 받기 어려워졌다는 것은 곧 pKa 가 내려갔다는 뜻입니다.

빽빽할수록 겉보기 pKa 는 내려간다

그래서 6.2~6.5 라는 창은 겉보기 pKa 기준입니다. 분자 pKa 와 섞어 읽으면 아무 말이 안 됩니다 — SM-102 의 6.68 은 창 바깥처럼 보이지만, 입자로 만들면 그보다 낮은 값이 나오니까요.

고등학생너무 높아도 너무 낮아도 안 되는 좁은 창

pKa 가 어느 값이어야 할까요? 양쪽 끝을 보면 답이 보입니다.

pKa	혈액(7.4)에서	엔도솜에서	결과
7.5 이상	이미 양전하	켜져 있음	아무 데나 붙음 · 독성
6.2~6.9	꺼짐	제때 켜짐	딱 좋음
5.5 이하	꺼짐	너무 늦게 켜짐	분해되기 전에 못 나옴

면접 시간에 도착하는 것과 같습니다

너무 일찍 가면 문이 안 열려 밖에서 헤매고, 너무 늦게 가면 이미 끝나 있습니다. 맞는 시각에 도착해야 합니다.

실제로 여러 지질을 만들어 견준 연구들에서 6.2~6.9 근처가 반복해서 좋게 나옵니다. SM-102(6.68) · ALC-0315(6.09) · MC3(6.44) 가 그 언저리입니다.
다만 창은 입자에서 잰 값(겉보기 pKa) 기준이라, 물에서 잰 값과 바로 견주면 안 됩니다.

이야기의 위기는 pKa 가 나빠서가 아니라, 개의 엔도솜이 예상보다 빨리 산성이 돼서였습니다

고친 방법 — 분자를 바꾸지 않고 pKa 를 옮겼다

겉보기 pKa 를 내리는 길은 둘입니다.

방법	어떻게	걸리는 시간
분자를 바꾼다	곁사슬을 고쳐 새 지질을 합성	몇 달
배열을 바꾼다	제조 조건만 조절해 코어를 촘촘하게	며칠

로지에게는 시간이 없었습니다. 소설이 고른 것은 두 번째입니다 — 바꾼 것은 세 가지, 전부 제조 조건이었습니다.

유량비   3:1  ->  4:1     더 급하게 뭉친다 -> 코어가 촘촘
혼합 온도 상온 ->  4 ℃     차가우면 더 빽빽하게 쌓인다
PEG-DMG  1.5% ->  1.8%    입자가 작아진다 (곡률 상승)

겉보기 pKa (TNS)   6.68  ->  6.41   창 안으로

새 분자를 하나도 만들지 않았습니다. 같은 SM-102 로, 배열만 바꿔서 성질을 옮긴 것입니다.

겉보기 pKa 를 어떻게 재는지(TNS 색소)와 왜 그렇게 되는지는 /endo(엔도솜 탈출 첫걸음) 5강에서 자세히 다룹니다.

'이온화 지질' 과 '양이온 지질' 은 다른 말이다

학생들이 가장 자주 섞는 두 낱말입니다.

	양이온 지질 (cationic)	이온화 지질 (ionizable)
전하	항상 양전하	pH 에 따라 바뀜
혈액에서	양전하 — 아무 데나 붙음	중성 — 조용히 다님
독성	높음	훨씬 낮음
예	DOTAP, DOTMA	SM-102, ALC-0315, MC3

mRNA 백신이 실제로 쓸 만해진 것은 이 전환 덕분입니다.

🤔 확인 문제

SM-102 의 pKa 가 6.68 인 것이 혈액 속(pH 7.4)에서 갖는 이점은?

🤔 확인 문제

이야기에서 개 수지상세포의 엔도솜이 사람보다 빨리 산성화되는 것이 문제가 된 이유는?