노벨상 수상자 "AI로 만든 단백질 분해효소로 알츠하이머 원인 제거할 것"

데이비드 베이커 미국 워싱턴대 교수 노벨 화학상 수상 후 첫 방한

데이비드 베이커 미국 워싱턴대 교수가 6일 연세대학교에서 열린 '2026 IBS 콘퍼런스'에서 기조강연을 하고 있다. 임정우 기자 jjwl@donga.com

인공지능(AI)으로 자연에 없는 새로운 효소를 설계해 난치병 원인 물질을 분해하는 데 성공한 연구결과가 공개됐다. 

2024년 노벨 화학상 수상자인 데이비드 베이커 미국 워싱턴대 교수가 6일 연세대에서 열린 '2026 IBS 콘퍼런스' 기조강연에서 최신 연구 성과를 발표했다. 노벨상 수상 이후 첫 한국 방문이다.

단백질은 아미노산이 사슬처럼 연결된 분자로, 체내에서 소화·면역·근육 수축 등 거의 모든 생명 활동을 수행한다. 효소도 단백질의 일종이다. 자연에 존재하는 단백질은 모두 수십억 년 진화를 거쳐 만들어진 것이다. 베이커 교수는 이 진화 과정 없이 원하는 기능을 가진 단백질을 AI로 처음부터 설계하는 연구를 이끌어왔다. 

베이커 교수는 이번 강연에서 특정 단백질을 골라 잘라내는 효소인 '프로테아제'를 인공 설계하는 데 성공했다고 발표했다. 프로테아제를 자유롭게 설계할 수 있다면 알츠하이머병이나 파킨슨병처럼 특정 단백질이 비정상적으로 쌓여 생기는 질환에서 원인 단백질만 골라 제거하는 치료제로 쓸 수 있다. 아미노산 사이의 결합이 매우 안정적인 데다 원하는 부위만 정확히 잘라야 해 그동안 난제로 남아 있었다.

베이커 교수 연구팀은 자체 개발한 생성형 AI 모델 'RF디퓨전'으로 문제를 풀었다. 연구자가 특정 부위에서 단백질을 자르라는 핵심 기능만 지정하면 AI가 기능을 수행할 수 있는 효소 전체의 형태를 자동으로 설계하는 방식이다.

이렇게 만들어진 인공 프로테아제는 아무런 촉매 없이 자연 분해되는 것보다 100억 배 빠르게 단백질을 잘랐으며 200회 이상 반복 작동해 자연 효소에 준하는 성능을 보였다.

베이커 교수는 이번에 개발한 기술로 알츠하이머병의 원인으로 지목되는 타우 단백질, 파킨슨병 관련 알파-시누클레인 등 뇌질환을 일으키는 단백질을 골라 분해하는 연구를 진행 중이다.

베이커 교수는 "기존 항체 치료제는 원인 단백질 하나를 없애려면 항체도 하나가 필요해 대량 투여해야 하지만 효소는 소량으로도 반복 작동하기 때문에 훨씬 적은 양으로 치료할 수 있다"고 설명했다.

설계 단백질의 적용 범위는 치료제에 그치지 않는다. 베이커 교수는 암세포에서만 면역반응을 일으키고 정상세포에는 작용하지 않는 '스위치' 단백질도 설계했다고 소개했다. 암세포 표면에만 있는 특정 표지가 있을 때만 켜지는 방식이다. 암세포에서만 면역반응을 유도하고 정상세포에는 작용하지 않아 기존 면역항암제의 전신 독성 문제를 해결할 수 있다. 

알츠하이머병 진단에 쓸 수 있는 설계 단백질도 개발했다. 알츠하이머 환자의 뇌에는 타우 단백질이 비정상적으로 변형돼 쌓인다. 변형된 타우 단백질에만 골라 붙도록 단백질을 설계해 질병의 진행 상태를 추적하는 도구로 활용할 수 있다.

베이커 교수는 향후 연구 방향으로 '단백질 나노머신'을 제시했다. 베이커 교수는 "형태가 바뀌면서 동시에 화학반응을 일으키는 단백질 기계를 만들 수 있다"며 "알츠하이머·파킨슨병에서 뇌에 쌓이는 비정상 단백질 덩어리를 분해하는 초소형 기계가 가능할 것"이라고 말했다. 플라스틱을 분해하는 효소 설계 등 환경 분야 연구도 진행 중이라고 덧붙였다.

베이커 교수는 이번 연구의 핵심 연구자로 자신의 연구실 한국인 대학원생 최호재 씨를 소개했다. 최호재 씨는 시스테인 기반 설계 프로테아제의 설계부터 검증까지 전 과정을 수행했으며 관련 논문의 제1저자다.

[임정우 기자 jjwl@donga.com]