AI가 만든 '단백질 구조체'…백신·약물 실어 나른다

포항공대 이상민 교수 연구팀, 네이처 논문 게재
백신 항원·약물 전달 플랫폼 활용 가능성 제시

포항공과대학교 이상민 교수 연구팀이 실제 바이러스 껍질 구조와 인공지능(AI)으로 설계한 단백질 나노케이지를 비교한 이미지. 왼쪽은 자연계 바이러스가 단백질을 배열해 만든 껍질 구조, 오른쪽은 바이러스 조립 원리를 모방해 AI로 설계한 속 빈 단백질 나노케이지다. (과학기술정보통신부 제공)

(서울=뉴스1) 김민수 기자 = 국내 연구자가 주도한 국제 공동연구진이 인공지능(AI)으로 자연계 바이러스의 조립 원리를 재현한 대형 단백질 구조체를 설계하는 데 성공했다. 향후 백신 항원이나 약물, 유전물질을 몸속 목표 지점까지 실어 나르는 차세대 전달체로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 이상민 포항공과대학교 화학공학과 교수가 데이비드 베이커 미국 워싱턴대학교 교수와 공동연구를 통해 단일 단백질 구성 요소가 바이러스와 유사한 구조로 스스로 조립되는 설계 원리를 개발했다고 21일 밝혔다. 베이커 교수는 2024년 노벨 화학상 수상자다. 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처에 게재됐다.

연구진이 주목한 소재는 '단백질 나노케이지'다. 단백질 나노케이지는 여러 단백질이 스스로 결합해 만드는 나노미터 크기의 빈 구조체다. 내부에는 약물이나 유전물질, 효소 등을 담을 수 있고, 바깥 껍질에는 항원을 붙일 수 있어 백신과 약물 전달 기술의 핵심 소재로 꼽힌다.

기존 단백질 구조체 설계 기술은 계산상 완벽한 대칭 구조를 만드는 방식에 주로 의존했다. 이 때문에 하나의 단백질로 구현할 수 있는 구조체 크기가 제한적이고 형태도 단순하다는 한계가 있었다.

반면 자연계 바이러스는 하나의 단백질을 수백, 수천 번 반복해 쓰면서도 각 단백질이 놓이는 위치와 환경을 미세하게 조절해 거대한 껍질을 만든다. 연구진은 이러한 '준대칭성' 원리를 AI 단백질 설계에 적용했다.

연구진은 바이러스 껍질이 커지는 핵심이 단백질 블록 사이의 각도와 휘어짐에 있다고 봤다. 단백질이 너무 평평하게 배열되면 껍질이 닫히지 않고, 지나치게 휘면 구조체가 작아진다. 연구진은 이 중간 영역을 정밀하게 설계해 하나의 단백질이 위치에 따라 오각형 환경과 육각형 환경을 동시에 만들도록 했다.

AI 기반 단백질 구조 생성 도구 '알에프디퓨전(RFdiffusion)'을 활용해 블록을 조립하듯 단백질 구조를 쌓아 평평한 판이 아닌 거대한 돔 형태의 껍질을 구현했다.

인공지능(AI)으로 설계한 단백질 나노케이지를 전자현미경으로 관찰한 이미지. 왼쪽은 약 70나노미터 크기의 비교적 균일한 나노케이지, 오른쪽은 120~220나노미터 크기의 더 큰 나노케이지를 보여준다. 단백질 블록 사이의 곡률 조절로 구조체의 크기와 형태가 달라질 수 있음을 확인한 결과다. (과학기술정보통신부 제공)

이번 성과는 자연에 존재하는 바이러스 단백질을 그대로 가져다 쓴 것이 아니라 AI로 새롭게 설계한 단일 인공 단백질만으로 바이러스와 유사한 대형 구조체를 만들었다는 점에서 의미가 있다.

이 기술이 고도화되면 표적 약물 전달체, 유전물질 전달체, 백신 항원 제시 플랫폼 등 바이오·의학 분야에서 활용될 가능성이 있다. 연구진은 내부 지지 단백질이나 핵산 등을 주형으로 활용해 구조체 크기를 더 균일하게 제어하는 후속 연구도 진행할 계획이다.

이 교수는 "바이러스는 완벽한 대칭만이 정교한 분자 구조를 만드는 유일한 방법이 아님을 보여주는 최고의 자연 모방 대상"이라며 "단백질 블록의 국소 구조를 조절해 최종 조립체의 크기와 형태를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준 연구"라고 말했다.

김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "이번 성과는 국내 우수 연구자가 노벨상 수상자와의 협력을 통해 세계적 수준의 기초연구 역량을 증명해 낸 쾌거"라며 "국내 연구자들이 세계를 선도할 성과를 창출할 수 있도록 지원하겠다"고 밝혔다.

kxmxs4104@news1.kr

<용어설명>

■ 단백질 나노케이지
여러 단백질이 스스로 결합해 만드는 나노미터 크기의 빈 구조체다. 내부 공간에 약물이나 유전물질, 효소 등을 담을 수 있고, 바깥 껍질에는 항원을 붙일 수 있어 백신이나 약물 전달체로 활용될 수 있다.

■ 준대칭성
완전히 똑같은 대칭은 아니지만, 비슷한 단백질 배열을 반복해 큰 구조를 만드는 원리다. 자연계 바이러스는 하나의 단백질을 수백~수천 번 반복 사용하면서도 위치마다 미세하게 다른 배열을 만들어 거대한 껍질을 형성한다.

■ 알에프디퓨전(RFdiffusion)
원하는 단백질 구조를 계산으로 만들어내는 인공지능 기반 단백질 설계 도구다. 이번 연구에서는 단백질 블록이 서로 다른 각도로 맞물리도록 설계해 평평한 판이 아니라 둥근 껍질 형태의 구조체가 만들어지도록 했다.