이상민 포스텍 교수, 바이러스 유사 구조 자가조립 설계 원리 개발
노벨화학상 베이커 교수 공동연구…차세대 약물 전달 활용 기대
[이상민 교수 제공. 재판매 및 DB 금지]
(서울=연합뉴스) 조승한 기자 = 국내외 연구진이 인공지능(AI)을 활용해 자연계 바이러스 껍질 단백질 조립 원리를 재현한 대형 단백질 구조체를 개발했다.
차세대 약물 전달체로 주목받는 단백질 구조체 등으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부는 이상민 포항공대(포스텍) 화학공학과 교수가 2024년 노벨 화학상 수상자인 미국 워싱턴대 데이비드 베이커 교수와 공동연구를 통해 단일 단백질 구성 요소가 오각형과 육각형 배열을 동시 형성하며 바이러스 유사 구조로 자가조립되는 설계 원리를 개발했다고 21일 밝혔다.
이번 연구결과는 세계 최고 권위 국제학술지 '네이처'에 이날 발표됐다.
단백질 나노 케이지는 여러 단백질이 스스로 결합해 만든 ㎚(나노미터=10억분의 1ｍ) 크기 속이 비어있는 구조체다.
내부에 약물이나 유전물질, 효소 등을 안정적으로 탑재할 수 있고 껍질에 항원을 부착할 수 있어 차세대 약물 전달 기술로 주목받고 있다.
하지만 이를 설계하는 기술은 계산에 따라 '완벽한 대칭 구조'를 만드는 데 의존해 와 하나의 단백질로 구현할 수 있는 구조체 크기가 제한적이고 형태도 단순한 한계가 있었다.
이와 달리 자연계 바이러스는 하나의 단백질을 수백~수천 번 반복 사용하면서도 각 단백질이 놓이는 위치와 환경을 미세 조절해 거대 껍질을 만들어낸다.
연구팀은 '준대칭성'이라 불리는 이런 원리를 인공 단백질 설계로 구현하는 데 성공했다.
바이러스 껍질이 커지는 핵심이 단백질 블록 사이 각도와 휘어짐에 있다는 점에 주목해 하나의 단백질이 위치에 따라 오각형 환경과 육각 환경을 동시 형성하도록 유도했다.
이를 위해 단백질 3개가 뭉친 '삼량체'를 기본 블록으로 설정하고 이후 AI 기반 단백질 구조 생성 도구인 '알에프디퓨전'을 활용해 새 연결 구조를 설계했다.
하나의 단백질이 서로 다른 각도로 맞물리도록 해 거대한 돔 형태 껍질을 구현한 것이다.
[이상민 교수 제공. 재판매 및 DB 금지]
연구팀이 설계한 인공 단백질을 미생물을 통해 실제로 만든 후 극저온 전자현미경으로 형태를 관찰한 결과 단백질이 스스로 뭉쳐 70~220㎚ 다양한 크기 둥근 껍질을 만드는 것을 확인했다.
가장 작은 구조는 정교한 나노 '축구공' 형태를 띠었고, 큰 구조는 3배 이상 거대했다.
이날 네이처에는 두 교수가 참여한 인공 단백질 구조체 연구 성과도 함께 실려 두 편의 논문을 한 번에 내게 됐다.
두 교수는 2024년에도 바이러스를 모방해 정사면체, 정육면체, 정십이면체 등 다양한 형태 나노케이지를 만들어 네이처에 발표하기도 했다.
이 교수는 "바이러스는 완벽한 대칭만이 정교한 분자 구조를 만드는 유일한 방법이 아님을 보여주는 최고의 자연 모방 대상"이라며 "분자 타일 사이 미세 각도 변화가 평평한 판을 거대한 돔으로 바꾸듯 단백질 블록의 국소 구조를 조절해 최종 조립체 크기와 형태를 정밀 제어할 수 있음을 보였다"고 말했다.
shjo@yna.co.kr