국내 연구진, AI ‘단백질 구조체 설계’ 주도…”바이오 분야 확장 가능성”

국내 연구진이 인공지능(AI)을 활용해 자연계 바이러스의 조립 원리를 재현, 대형 단백질 구조체 설계에 성공하면서 바이오 분야의 새로운 가능성을 열어가고 있습니다. 이번 연구는 포항공과대학교의 이상민 교수와 미국 워싱턴대학교의 데이비드 베이커 교수의 공동 노력으로 진행되었으며, 그 성과는 권위 있는 학술지 '네이처'에 게재되었습니다.

바이러스에서 영감을 받은 단백질 설계

연구진은 바이러스가 자연적으로 단백질을 조합하는 방법에 주목했습니다. 기존의 단백질 구조체 설계는 주로 '완벽한 대칭'에 의존하여 디자인의 범위가 제한적이었습니다. 그러나 자연계의 바이러스는 수천 번의 반복을 통해 단백질의 위치와 환경을 미세하게 조정하여 복잡한 구조를 형성합니다. 이를 기반으로 연구진은 단백질 블록 사이의 각도와 휘어짐을 조절하여 새로운 구조체를 설계하는 데 성공했습니다.

특히, 연구팀은 삼량체 단위를 기본 블록으로 설정하고 AI 기반의 단백질 구조 생성 도구인 '알에프디퓨전'을 활용하여 다양한 연결 구조를 개발했습니다. 이 과정에서 단백질이 서로 다른 각도로 결합해 거대한 돔 형태의 껍질을 형성하도록 유도했습니다.

단백질 나노케이지의 혁신

이번 연구의 핵심 기술은 '단백질 나노케이지'입니다. 이 구조체는 여러 개의 단백질이 자가조립하여 만들어진 속이 비어 있는 나노미터(nm) 크기의 구조로, 내부에 약물이나 유전물질, 효소 등을 안전하게 담을 수 있는 장점을 제공합니다. 또한, 껍질 표면에는 면역 반응을 유도할 수 있는 항원을 부착할 수 있어 백신 항원 제시 플랫폼으로의 활용 가능성도 제기되고 있습니다.

연구진은 대장균을 활용하여 설계한 단백질을 실제로 생성한 후, 극저온 전자현미경을 사용해 이 구조체의 형태를 관찰했습니다. 그 결과, 단백질이 스스로 뭉쳐 최소 70nm에서 220nm에 이르는 둥근 껍질을 형성하는 것을 확인했습니다. 이는 기존의 단백질 설계 방식을 넘어서는 혁신적인 접근법으로, 단백질 블록의 국소 구조를 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

바이오 분야의 새로운 패러다임

이번 연구의 성공은 단순히 바이러스 단백질을 재활용하는 것이 아니라, AI를 통해 새로운 설계를 가능하게 했다는 점에서 큰 의미를 갖습니다. 이 기술이 상용화된다면, 표적 약물 및 유전물질 전달체, 백신 항원 제시 플랫폼 등 다양한 바이오 및 의학 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

이상민 교수는 "이 연구를 통해 단백질 조립체의 크기와 형태를 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 제시했다"고 설명하며, 앞으로 이 기술이 바이오 분야에 미칠 긍정적인 영향을 강조했습니다. 이러한 혁신은 앞으로의 바이오 기술 발전에 큰 기여를 할 것으로 보이며, 인류 건강과 질병 치료의 새로운 전환점을 맞이할 수 있을 것입니다.