AI가 바이러스 조립 원리 풀었다…백신 실어 나를 '단백질 나노케이지' 개발[과학을읽다]

이상민 포항공대 교수·데이비드 베이커 워싱턴대 교수 공동연구
네이처 게재 "약물·유전자 전달체 활용 기대"

국내 연구진이 인공지능(AI)을 활용해 자연계 바이러스의 조립 원리를 재현한 대형 단백질 구조체를 설계하는 데 성공했다. 향후 백신과 유전자 치료제, 표적 약물을 실어 나르는 차세대 전달 플랫폼으로 활용될 수 있을 것이란 기대가 나온다.

과학기술정보통신부는 이상민 포항공과대학교 화학공학과 교수 연구팀이 데이비드 베이커(David Baker) 미국 워싱턴대학교 교수 연구팀과 공동으로 바이러스 유사 구조로 스스로 조립되는 인공 단백질 구조체 설계 원리를 개발했다고 21일 밝혔다. 데이비드 베이커 교수는 2024년 노벨 화학상 수상자다.

자연계 바이러스 껍질 구조(왼쪽)와 이를 모방해 AI로 설계한 단백질 나노케이지(오른쪽) 비교. 단백질이 스스로 구형 구조를 이루는 바이러스의 조립 원리를 인공 단백질 설계에 적용한 모습이다. 연구팀 제공

이번 연구는 과기정통부 개인기초연구사업(우수신진연구), 나노 및 소재기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 세계 최고 권위 학술지인 '네이처(Nature)'에 게재됐다.

연구진이 개발한 구조체는 '단백질 나노케이지(Protein Nanocages)'다. 여러 단백질이 스스로 결합해 형성하는 나노미터(nm) 크기의 속이 빈 구조체로, 내부에 약물·유전물질·효소 등을 담을 수 있어 차세대 약물 전달체로 주목받고 있다.

기존 인공 단백질 구조체 설계 기술은 주로 완벽한 대칭 구조에 의존해 크기와 형태 확장에 한계가 있었다. 반면 자연계 바이러스는 동일한 단백질을 수백~수천 번 반복 사용하면서도 미세한 각도 차이를 이용해 거대한 껍질 구조를 만든다. 이를 '준대칭성(quasisymmetry)'이라고 부른다.

바이러스처럼 조립되는 'AI 단백질 껍질'

연구진은 단백질 블록 사이의 각도와 휘어짐을 정밀하게 조절하면 하나의 단백질이 오각형과 육각형 환경을 동시에 형성할 수 있다는 점에 주목했다. 이를 통해 평평한 구조가 아닌 거대한 돔 형태의 바이러스 유사 껍질을 구현했다.

특히 인공지능 기반 단백질 구조 생성 도구인 '알에프디퓨전(RFdiffusion)'을 활용해 새로운 연결 구조를 설계했다. 삼량체 단위를 기본 블록으로 설정한 뒤 서로 다른 각도로 맞물리도록 설계해 단일 인공 단백질만으로 대형 구조체를 형성하도록 유도한 것이다.

연구진은 설계한 단백질을 대장균에서 실제 제작한 뒤 극저온 전자현미경으로 구조를 관찰했다. 그 결과 최소 70nm에서 최대 220nm 크기의 다양한 구형 구조체가 형성되는 것을 확인했다. 가장 작은 구조체는 '나노 축구공' 형태를 띠었고, 가장 큰 구조는 이보다 3배 이상 거대한 크기였다.

연구진 사진. (왼쪽) 워싱턴대학교 데이비드 베이커 교수(2024년 노벨화학상, 교신저자)와 이상민 포항공대 교수(제1저자 & 교신저자). 이 교수가 2025년 9월 워싱턴대 방문했을 때 촬영. 과기정통부 제공

이번 연구는 자연계 바이러스 단백질을 재활용하지 않고 AI로 새롭게 설계한 단일 인공 단백질만으로 바이러스 유사 구조체를 구현했다는 점에서 의미가 크다는 평가다.

연구진은 앞으로 구조체 내부에 약물이나 유전물질을 탑재하는 후속 연구를 진행할 계획이다. 내부 지지 단백질이나 핵산 등을 활용해 구조체 크기를 더욱 균일하게 제어하는 기술도 개발할 예정이다.

이상민 포항공대 화학공학과 교수는 "바이러스는 완벽한 대칭만이 정교한 분자 구조를 만드는 유일한 방법이 아님을 보여주는 대표적인 자연 구조"라며 "단백질 블록 사이의 미세한 각도 조절만으로 최종 구조체의 크기와 형태를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준 연구"라고 설명했다.

김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "국내 연구자가 노벨상 수상자와의 협력을 통해 세계적 수준의 기초연구 역량을 입증한 성과"라며 "앞으로도 세계를 선도할 연구 성과 창출을 적극 지원하겠다"고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr