노벨상 수상자와 공동연구…AI로 축구공 닮은 '백신 배달용기' 설계
한미 공동연구팀이 인공지능(AI)으로 바이러스의 조립 원리를 재현해 백신 조달 등에 활용할 수 있는 축구공 모양의 인공 단백질 구조체를 만드는 데 성공했다.
과학기술정보통신부는 이상민 포스텍 화학공학과 교수가 2024년 노벨 화학상 수상자인 데이비드 베이커 미국 워싱턴대 교수와 공동연구를 통해 바이러스와 비슷하게 단백질이 자가조립되는 설계 원리를 규명했다고 21일 밝혔다. 연구결과는 20일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개됐다.
단백질 나노케이지는 여러 단백질이 스스로 결합해 만든 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 수준의 구조체다. 안쪽이 비어 있어 약물, 유전물질, 효소 등을 안정적으로 실어 운반할 수 있고 껍질에는 면역반응과 연계할 수 있는 항원을 부착할 수 있다. 최근 바이오·의학 분야에서 차세대 약물 전달 기술로 주목받는 소재다.
단백질 나노케이지 설계는 계산 기반의 완벽한 대칭 구조 구현에 초점을 맞춰 왔다. 하나의 단백질로 구현할 수 있는 구조체의 크기가 제한적이고 단순한 형태에 그쳤다.
자연계 바이러스는 하나의 단백질을 수백~수천 번 반복 사용하면서도 각 단백질이 놓이는 위치와 환경을 미세하게 조절해 거대한 껍질을 만든다. 연구팀은 바이러스 껍질의 이같은 '준대칭성'을 인공으로 구현하는 데 주력했다.
바이러스 껍질이 커지는 핵심 열쇠는 단백질 블록 사이의 각도와 휘어짐에 있는 것으로 확인됐다. 단백질이 너무 평평하게 배열되면 껍질이 닫히지 않고 너무 많이 휘면 구조가 작아진다. 축구공처럼 오각형과 육각형을 동시에 형성하도록 유도하는 것이 핵심 아이디어다.
연구팀은 단백질 3개가 뭉친 삼량체 단위를 기본 블록으로 설정하고 AI 기반 단백질 구조 생성 도구인 '알에프디퓨전(RFdiffusion)'을 활용해 새로운 연결 구조를 설계했다.
설계한 인공 단백질을 미생물인 대장균을 활용해 생산하고 극저온 전자현미경으로 관찰한 결과 단백질들은 스스로 뭉쳐 70~220nm에 이르는 다양한 둥근 나노케이지를 만들었다.
연구성과는 자연에 존재하지 않는 AI 설계 단백질만으로 대형 구조체를 만들었다는 점이 특징이다. 상용화되면 표적 약물과 유전물질 전달체, 백신용 항원 제시 플랫폼 등 바이오·의학 분야 전반에 활용될 것으로 기대된다.
연구팀은 다른 단백질이나 핵산을 활용해 구조체 크기를 균일하게 제어하는 후속 연구를 진행할 계획이다.
이 교수는 "바이러스는 완벽한 대칭만이 정교한 분자 구조를 만드는 유일한 방법이 아님을 보여주는 최고의 자연 모방 대상"이라며 "단백질 블록의 국소 구조를 조절함으로써 최종 조립체의 크기와 형태를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준 연구"라고 설명했다.
김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "국내 우수 연구자가 노벨상 수상자와의 협력을 통해 세계적 수준의 기초연구 역량을 증명해 낸 쾌거"라고 말했다.
<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-026-10554-z
[이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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