AI로 만든 '나노 축구공'…韓 과학자, 차세대 약물 전달체 개발

인공지능(AI)을 이용해 자연 바이러스의 자기조립 원리를 모방한 대규모 단백질 구조체 설계에 국내 연구진이 주도한 국제 공동연구팀이 성공했다.

과학기술정보통신부는 18일 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 이상민 교수가 이끄는 국제 공동연구팀이 이 같은 성과를 냈다고 밝혔다. 2024년 노벨화학상 수상자인 데이비드 베이커 워싱턴대 교수팀과 협력한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.

단백질 나노케이지는 여러 단백질이 스스로 결합해 형성되는 속이 빈 나노미터(nm) 크기 구조체다. 내부 공간에 약물이나 유전물질을 안정적으로 담고, 외부에는 항원을 부착할 수 있어 차세대 약물 전달 플랫폼으로 주목받는다.

하지만 기존 설계 기술은 컴퓨터로 계산된 '완전 대칭 구조'에 의존해 단일 단백질로 만들 수 있는 구조의 크기와 복잡성에 한계가 있었다.

연구팀은 자연계 바이러스가 단일 단백질을 수백 개 반복 사용하면서 위치에 따라 미세한 환경 차이를 두어 거대 껍질을 만드는 '준대칭(quasisymmetry)' 원리에 주목했다. 연구팀은 AI 기반 단백질 구조 생성 도구 'RFdiffusion'을 활용해 이 원리를 인공 단백질 설계에 성공적으로 구현했다.

연구팀은 단백질 구성 요소 사이의 각도와 곡률을 정교하게 조절해 단일 단백질이 위치에 따라 오각형 또는 육각형 환경을 동시에 차지하도록 유도했다. 이를 통해 평면이 아닌 거대한 돔 형태의 껍질 구조를 만들었다.

실험 결과, 대장균에서 생산된 인공 단백질은 최소 70nm에서 최대 220nm에 이르는 구형 껍질로 자가 조립되는 것이 확인됐다. 가장 작은 구조는 정교한 '나노 축구공' 형태를 띠었으며, 가장 큰 것은 그보다 3배 이상 컸다.

이번 연구는 기존 바이러스 단백질을 재활용하지 않고, AI로 완전히 새롭게 설계한 단일 인공 단백질로 대규모 바이러스 유사 구조체를 자유자재로 구축했다는 점에서 학계의 큰 주목을 받는다. 향후 표적 약물 및 유전물질 전달 시스템, 백신 항원 제시 플랫폼 등 바이오메디컬 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

이상민 교수는 "분자 타일 사이의 각도를 미세하게 바꾸면 평면이 거대한 돔으로 변하는 것처럼, 단백질 블록의 국소적 기하학 구조를 정밀하게 제어하면 최종 조립체의 크기와 모양을 조절할 수 있음을 보여줬다"고 설명했다.