mRNA Synthesis Custom Order

In-vitro transcription(IVT)라고도 알려진 mRNA 합성은 특정 유전자의 mRNA를 합성하거나 연구 목적으로 RNA 분자를 만들기 위해 사용됩니다. IVT는 RNA polymerase와 전사에 필요한 다양한 요소들을 결합시켜 유전자의 RNA를 생산하는 과정으로 진행됩니다.

1. Cap:

• Cap은 진핵생물의 mRNA의 5' 말단에 위치한 특이한 nucleotide로 이루어져 있습니다.
• Cap은 mRNA의 보호, translation 효율 증가, 면역반응 조절 등을 위해 필수적인 요소입니다.
• Cap-0: mRNA 5’말단에 7-메틸구아닌(m7G)라는 특이한 nucleotide로 이루어져 있습니다.
• Cap-1: Cap-0에 추가적으로 첫 번째 nucleotide의 2’-OH기를 methyl기로 치환한 구조를 의미합니다.

2. 5' & 3’ Untranslated Region (UTR):

• UTR은 mRNA의 번역되지 않는 영역을 의미합니다. UTR은 mRNA의 5' 말단(5' UTR)과 3' 말단(3' UTR)에 위치하며, mRNA의 번역 효율, 안정성, 국소화 등을 조절하는 중요한 역할을 합니다.
• 5' UTR: mRNA 분자의 5' 말단에 위치하며, 코딩 영역(CDS) 앞에 위치합니다. 5' UTR은 다음과 같은 기능을 수행합니다:
• 번역 개시: 번역 개시 복합체(eIF4F)가 결합하여 번역을 시작하는 위치를 결정합니다.
• 번역 효율 조절: UTR 내에 존재하는 특정 구조 요소는 번역 효율을 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다.
• mRNA 안정성 조절: UTR 내에 존재하는 특정 구조 요소는 mRNA의 안정성을 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다.
• 3' UTR: mRNA 분자의 3' 말단에 위치하며, 코딩 영역(CDS) 뒤에 위치합니다. 3' UTR은 다음과 같은 기능을 수행합니다:
• mRNA 안정성 조절: UTR 내에 존재하는 특정 구조 요소는 mRNA의 안정성을 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다.
• mRNA 국소화 조절: UTR 내에 존재하는 특정 구조 요소는 mRNA가 세포 내 특정 위치로 이동하도록 조절할 수 있습니다.
• 번역 후 조절: UTR 내에 존재하는 특정 구조 요소는 단백질 번역 후 mRNA의 분해, 개질, 운송 등을 조절할 수 있습니다.

3. Coding Region Sequence (CDS):

• CDS는 유전 정보를 담고 있는 핵심적인 부분이며 단백질 발현의 기본 단위입니다.
• mRNA는 4가지 염기(A, U, C, G)로 구성되어 있으며, 3개의 염기 서열(codon)은 특정 아미노산을 코딩합니다. 시작 codon(ATG)으로 시작하고 종결 codon(TAA, TAG, TGA)으로 끝나는 연속적인 codon 서열로 이루어져 있습니다.
• CDS는 원하는 단백질 서열을 바탕으로 DNA 서열을 설계할 수 있으며 유전자 합성 기술을 통해 원하는 DNA 서열을 합성할 수 있습니다.

4. Poly(A) tail:

• Poly(A) tail은 아데닌(A) nucleotide가 연속적으로 연결된 꼬리를 의미합니다. mRNA의 3' 말단에 위치하며, 약 50~250개의 아데닌(A) nucleotide로 구성됩니다.
• Poly(A) tail은 nuclease(RNA 분해 효소)로부터 mRNA를 보호하여 mRNA의 분해를 방지하고 안정성을 높입니다.

Q1: IVT 최적화 (IVT Optimization)란 무엇이며, 왜 필요한가요?

IVT 최적화는 mRNA 백신 및 치료제 생산을 위해, 타겟 단백질의 아미노산 서열은 유지하면서 In Vitro Transcription (IVT) 공정 효율과 mRNA의 생체 내 안정성을 극대화하도록 DNA 주형(Template)을 재설계하는 과정입니다. 이는 단순한 발현량 증가를 넘어, 고순도·고수율의 mRNA 생산을 보장하는 핵심 공정 기술입니다.

최적화의 필요성:

1. T7 중합효소 공정성 확보 (T7 Polymerase Processability):
• IVT에 주로 사용되는 T7 RNA 중합효소는 연속된 T 서열(Poly-T)을 만나면 전사를 조기에 중단(Premature Termination)하거나, 연속된 G 서열(Poly-G)에서 미끄러짐(Slippage) 현상을 일으켜 불완전한 mRNA나 부산물을 생성합니다.
• IVTDesigner™는 T7 프로모터의 효율을 저해하는 이러한 '생산 저해 서열'을 원천적으로 제거하여 Full-length mRNA의 수율을 극대화합니다.
2. mRNA 구조 안정성 및 번역 효율 균형 (Dual Structure Control):
   • mRNA는 보관 및 체내 반감기 증대를 위해 전체적으로는 안정적인 구조(Low MFE)를 가져야 하지만, 리보솜이 결합하는 5' 말단(Start Codon 주변)은 구조가 풀려 있어야 번역이 원활합니다.
   • IVTDesigner™는 5' UTR 부위의 구조는 느슨하게 유지하면서도 CDS(Coding Sequence) 영역의 안정성은 높이는 정교한 열역학적 설계를 수행합니다.
3. 면역원성 감소 (Reduced Immunogenicity):
   • 체내로 전달된 외래 mRNA는 선천 면역 반응을 유발하여 약효를 떨어뜨릴 수 있습니다.
   • 면역 센서(TLR, RIG-I 등)를 자극하는 이중나선 RNA(dsRNA) 형성 서열이나 CpG/UpA 다이뉴클레오타이드를 최소화하여 안전성을 확보해야 합니다.

IVTDesigner™ 최적화의 이점:

• 고순도 mRNA 생산: 조기 전사 중단 및 에러 유발 서열 제거로 GMP 수준의 생산 품질 확보
• 단백질 발현 극대화: 리보솜 진입 효율(RBS) 최적화 및 코돈 적합성(CAI) 향상
• 안전성 향상: 선천 면역 반응을 유발하는 위험 인자(dsRNA, CpG) 정밀 제거

Q2: IVTDesigner™를 이용한 mRNA 최적화 서비스를 받을 수 있나요?

네, 가능합니다. Bioneer는 자체 개발한 IVTDesigner™를 통해 mRNA 백신 및 치료제 개발을 위한 맞춤형 서열 최적화 서비스를 제공합니다.

서비스 요청 시 다음 정보를 mrnaorder@bioneer.co.kr로 보내주십시오.

1. DNA 또는 단백질 서열: 최적화할 타겟 서열 (CDS). DNA 서열 제공 시 Stop Codon까지 최적화 가능
2. 타겟 유기체 (Target Organism): mRNA가 번역될 숙주 (예: Homo sapiens, Mus musculus)
3. UTR 및 Poly-A 옵션: 당사의 고효율 라이브러리 UTR 사용, 고객 지정 UTR 서열 사용, 또는 Poly-A tail 길이(예: 120A) 지정 가능
4. 최적화 목표 (Goal):
   • Maximize: 단백질 발현량 및 mRNA 안정성 극대화 (기본값)
   • Targeting: 특정 GC 함량(%) 맞춤 또는 CAI 값 조절 (약독화 백신 등 특수 목적)

Q3: IVTDesigner™란 무엇인가요?

IVTDesigner™는 mRNA 합성에 특화된 바이오니아의 차세대 서열 설계 플랫폼입니다. 고성능 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)과 Numba JIT 기반의 고속 RNA 구조 예측 엔진을 결합하여, 단순 코돈 변경을 넘어 제조 공정상의 불량률을 낮추고 생물학적 효능을 높이는 다목적 최적화(Multi-Objective Optimization)를 수행합니다.

특히, 통합 구조 최적화 전략(Integrated Structural Strategy)을 적용하여 최적화 시작 단계부터 구조적으로 안정적인 초기 후보군(Seed)을 생성합니다. 이 기술은 다음의 4단계 알고리즘을 통해 최적의 서열을 도출합니다.:

1. Viterbi Global Optimization: 코돈 적합성(CAI)과 GC 함량을 고려하여 전역적으로 최적화된 경로를 탐색합니다.
2. Local Repair: 국소적인 불안정 요소(Bad Motifs)나 과도한 구조 형성을 제거합니다.
3. Convergent Stabilizer:반복적인 스캔을 통해 목표 GC 함량에 맞춰 구조적 안정성(MFE)을 수렴시킵니다.
4. 5' RNAInverse: 번역 효율을 높이기 위해 5' 말단의 구조를 느슨하게 만듭니다.

Q4: 기존 코돈 최적화 방식과 IVTDesigner™의 차이점은 무엇인가요?

기존 방식이 주로 세포 내(in vivo) 단백질 발현량 증가(CAI 최적화)에만 집중한다면, IVTDesigner™는 mRNA 제조 공정(IVT)의 물리적 한계와 생체 내 안전성을 최우선으로 고려합니다.

주요 차별점:

1. T7 공정 안전장치 (Process Safety):
• T7 중합효소의 활성을 떨어뜨리는 Poly-T(≥8nt) 및 Poly-G(≥6nt) 서열을 Hard Filter로 강제 차단하여 IVT 반응 실패를 원천 봉쇄합니다. (Poly-T ≥5, Poly-G ≥5 구간도 페널티 부여)
2. 면역원성 정밀 제어 (Immunogenicity Control):
• 단순 코돈 빈도 조절을 넘어, RIG-I 등 면역 센서를 자극하는 역반복 서열(Inverted Repeats, dsRNA)을 정밀 탐색하여 제거하고 CpG/UpA 비율을 최적화합니다.
3. 구조적 유연성 (Structural Flexibility):
• Integrated Strategy를 통해 전체적인 mRNA 안정성(높은 GC, 낮은 에너지)을 추구하면서도, 번역이 시작되는 5' 말단 40bp 구간의 구조 뭉침(Hairpin)을 방지하는 국소적 MFE 제어 기술을 적용합니다. 이는 Viterbi 알고리즘과 Convergent Repair 기술의 결합으로 구현됩니다.
4. 다양성 확보 (Diversity via Clustering):
• 단 하나의 결과만 도출하는 것이 아니라, K-Means 클러스터링을 통해 구조적 특징과 GC 함량이 서로 다른 상위 8개의 최적 후보군(Top 8 Candidates)을 제안하여 연구자가 실험 목적에 맞는 최적의 서열을 선택할 수 있도록 돕습니다.

IVTDesigner™의 정교한 구조 최적화 기술로 발현 효율과 안정성을 극대화한 고품질 mRNA를 경험해보세요.

In-vitro transcription(IVT)을 통해 대량으로 생산된 맞춤형 mRNA는 다양한 용도를 가지고 있어 여러 분야에 사용될 수 있습니다.

• 1. mRNA 백신 개발

  이는 IVT를 통해 가장 빠르게 발전하는 분야입니다. 바이러스 항원(면역 반응을 유발하는 외부 분자)을 암호화하는 mRNA는 IVT를 통해 신속하고 효율적으로 생산될 수 있습니다. 이러한 mRNA 백신은 세포에 항원을 생성하도록 지시하여 전체 바이러스를 도입하지 않고도 면역체계가 면역력을 개발하도록 자극합니다. 이 방법은 다음과 같은 몇 가지 장점을 제공합니다.

  • 1) 더 빠른 개발: 기존 백신에 비해 mRNA 백신은 훨씬 더 빠르게 설계 및 생산될 수 있으며 새로운 전염병에 대응하는 데 유리합니다.
  • 2) 안전성: 백신에 바이러스가 포함되어 있지 않기 때문에 mRNA 백신은 일반적으로 부작용이 최소화되어 안전한 것으로 간주됩니다.
  • 3) 다양성: mRNA 플랫폼은 암호화된 항원 서열을 간단히 수정함으로써 다양한 병원체를 표적으로 삼도록 쉽게 조정할 수 있습니다.
• 2. 유전자 치료: IVT는 다양한 유전 질환에 대한 새로운 유전자 치료법으로 사용될 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.
• 3. 단백질 생산: 합성 mRNA는 Cell-free 시스템을 통해 특정 단백질의 대규모 생산에 사용될 수 있습니다.
  • 연구 응용: 단백질 기능, 단백질-단백질 상호 작용 연구, 또는 신약 개발
  • 얻기 어려운 단백질 생산: 특정 단백질은 천연 공급원에서 분리하기 어렵거나 복잡한 정제 과정이 필요할 수 있습니다. IVT는 연구 또는 치료 목적으로 이러한 단백질을 얻기 위한 대안으로 사용될 수 있습니다.
• 4. 기타 잠재적인 응용 분야
  • 조직 공학: 특정 성장 인자 또는 단백질을 코딩하는 mRNA를 전달하여 조직 재생을 자극
  • 세포 재프로그래밍: mRNA를 사용하여 재생 의학 응용을 위한 세포 운명 또는 정체성의 변화를 유도
  • 암 면역요법: 암 항원을 표적으로 삼거나 면역자극 분자를 전달하기 위한 mRNA 백신을 설계

바이오니아 홈페이지(www.bioneer.co.kr)에 접속하여 로그인 후 mRNA synthesis custom order 페이지 (https://www.bioneer.co.kr/mrnacontact)에서 양식에 따라 Capping, UTR, Poly(A) tail 여부 및 종류를 선택하고 Coding Region Sequence 등을 기입하여 제출해주시면 확인 후 mRNA 합성에 관한 자세한 안내를 받으실 수 있습니다.

mRNA synthesis service의 최적 RNA transcripts의 크기는 100 ~ 5,000 nt입니다. 이외의 길이를 원하실 경우 상담 후 서비스가 진행됩니다.

Template DNA Sample의 조건은 다음과 같습니다.

• 농도: 100~200 ng/μl
• 용량: 10 μl volume 이상(최소 1 μg의 DNA)

Sample 송부 방법

박스 안에 소속기관과 의뢰자명 및 주문번호가 기입된 내용을 Sample과 함께 동봉 후, 아래 연계 택배회사를 통하여

자사의 Gene synthesis service https://www.bioneer.co.kr/gene-synthesis-gene-synthesis-customorder.html를 통해 CDS 및 UTR의 Gene 합성이 가능합니다.

가능합니다. 자세한 내용은 mrnaorder@bioneer.co.kr로 문의주시기 바랍니다.

5’ Cap은 Cap-0 또는 Cap-1을 선택하실 수 있습니다.

3’ poly(A) tail은 111 nt(105 nt poly-A with 6 nt linker in the middle)를 선택하실 수 있습니다.

Custom 5’ 또는 3’ UTR의 modification이 가능합니다. 그 외 Bioneer 5' 또는 3’ UTR을 선택하실 수도 있습니다.

Lipid nanoparticle (LNP)서비스와 연계하여 RNA-LNP 제조를 원하시는 경우 문의바랍니다.

합성된 mRNA는 동결건조 된 상태로 제공되며 전기영동 결과와 Nanodrop을 이용한 흡광도 측정 결과가 함께 동봉됩니다.