국내 연구진이 포함된 국제 공동연구팀이 인공지능(AI)을 이용해 바이러스와 유사한 거대 단백질 구조체를 만드는 데 성공했다.
과학기술정보통신부는 포항공대(POSTECH) 화학공학과 이상민 교수 연구팀이 데이비드 베이커 워싱턴대 교수(2024년 노벨화학상 수상자) 연구팀과 공동으로 이같은 연구 결과를 국제학술지 '네이처'에 지난 21일(한국시간) 발표했다고 밝혔다.
이번에 개발된 기술은 차세대 약물 전달 플랫폼으로 주목받는 '단백질 나노케이지'의 한계를 돌파한 것으로 평가된다. 단백질 나노케이지는 속이 빈 나노미터(nm) 크기 구조로, 내부에 약물이나 유전물질을 담아 운반할 수 있다.
기존 기술은 컴퓨터 계산에 기반한 '완벽한 대칭 구조'에 의존해 단일 단백질로 만들 수 있는 구조체의 크기와 형태에 제약이 있었다.
연구팀은 자연계 바이러스가 단일 단백질을 수백~수천 개 반복 사용하면서도 위치에 따라 미세한 변형을 주어 거대 구조를 만드는 '준대칭' 원리에 주목했다. AI 기반 단백질 구조 생성 도구인 'RF디퓨전'을 활용해 단백질 구성요소 간 결합 각도와 곡률을 정밀하게 제어하는 데 성공했다.
이를 통해 하나의 단백질이 조립 위치에 따라 오각형 또는 육각형 환경에 동시에 놓이도록 유도, 평면이 아닌 거대한 돔 형태의 껍질을 만들 수 있었다.
연구팀은 설계된 인공 단백질을 대장균을 통해 생산하고, 초저온 전자현미경으로 관찰한 결과 최소 70nm에서 최대 220nm 크기의 구형 껍질로 자가 조립되는 것을 확인했다. 가장 작은 구조는 정교한 '나노 축구공' 형태를 띠었다.
이번 연구는 기존 바이러스 단백질을 재활용한 것이 아니라, AI로 완전히 새롭게 설계한 인공 단백질로 거대 구조체를 자유자재로 구현했다는 점에서 의미가 크다. 향후 표적 약물 및 유전물질 전달 시스템, 백신 항원 제시 플랫폼 등 바이오 의료 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
한편 이 교수는 이번 연구 논문의 교신저자로 이름을 올린 동시에, 같은 날 네이처에 게재된 베이커 교수 주도의 또 다른 인공 단백질 구조 관련 연구 논문에도 공동저자로 참여하는 이례적인 성과를 거뒀다.
이상민 교수는 "분자 타일 사이의 각도를 미세하게 바꾸면 평면이 거대한 돔으로 변하는 것처럼, 단백질 블록의 국소적 기하학 구조를 정밀하게 제어하면 최종 조립체의 크기와 모양을 조절할 수 있음을 보여줬다"고 설명했다.
김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "국내 최고 수준의 과학자가 노벨상 수상자와의 협력을 통해 세계적 수준의 기초연구 역량을 보여준 쾌거"라며 "앞으로도 국내 과학자들의 연구 역량을 높이고 세계 최초의 성과를 창출하도록 지원을 아끼지 않겠다"고 밝혔다.