노벨화학상 베이커 교수와 포스텍 제자가 손잡으니…AI 유전자 치료법 개발

국내 연구진이 올해 노벨화학상 수상자와 함께 AI(인공지능)로 단백질 구조를 원하는 특성을 갖는 나노미터 크기의 주머니 구조(나노케이지)를 다양하게 만들 수 있는 기술을 세계 처음 확보해 화제다. 포스텍 이상민 교수는 올해 노벨화학상을 받은 미국 워싱턴대 데이비즈 베이커 교수와 공동으로 AI기반으로 바이러스의 복잡하고 정교한 구조를 모방한 새로운 치료 플랫폼(나노케이지)을 공동 개발했다고 19일 밝혔다. 이 연구결과는 과학분야 세계 최고 학술지인 '네이처'에 18일(현지시각) 게재됐다. 이 교수는 지난 2021년 2월부터 2년 9개월 동안 데이비드 베이커 교수 연구실에서 박사후연구원으로 재직했다. 포스텍은 올해 1월 부임했다. 이 교수는 베이커 교수와 함께 생활했던 회고담에서 "가장 기억에 남는 건 지도교수나 연구실 리더는 '치어리더'역할을 해야 한다고 하신 말"이라며 "세세한 잘못도 지적해야 겠지만, 연구할 사기를 북돋아주는 것이 더 중요함을 일깨워줬다"고 회상했다. 이 교수는 베이커 교수와 바이러스를 모방한 나노 단백질을 AI기반으로 설계했다. 바이러스는 둥근 공 모양의 단백질 껍질 안에 유전자를 담아 스스로 복제하는 독특한 구조를 갖고 있다. 주로 숙주세포에 침투해 질병을 일으킨다. 과학기술계는 최근 이 같은 복잡하고 정교한 구조를 모방한 인공 단백질(나노케이지) 연구를 활발히 진행 중이다. 나노케이지는 바이러스가 숙주를 찾아 공격하듯 표적 세포에 치료용 유전자를 효과적으로 전달하는 역할을 한다. 그러나 기존 나노케이지는 크기가 작아 그 안에 담을 수 있는 유전자의 양이 한정적이다. 구조가 단순해 실제 바이러스 단백질처럼 여러 기능을 구현하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 AI 기반 전산 설계 기법을 적용, 정사면체와 정육면체, 정십이면체 등 다양한 형태의 나노케이지를 세계 최초로 제작하는데 성공했다. 이 새로운 나노구조들은 네 종류의 인공 단백질로 구성된다. 여섯 종류의 독특한 단백질-단백질 결합계면을 포함하는 정교한 구조를 형성한다. 특히, 직경이 최대 75㎚에 이르는 정십이면체 구조는 기존 유전자 전달체(AVV1))보다 내부 직경이 3배, 부피는 27배가 커져 훨씬 더 많은 유전자를 담을 수 있다. 더 많은 유전자를 나노 케이지 내에 담는다는 의미는 유전자 기능으로 치료할 수 있는 범위가 그만큼 넓어지는 것을 의미한다. 연구팀은 전자현미경 분석 결과, AI로 설계한 나노케이지들이 예상대로 정확한 대칭구조를 이루었다. 기능성 단백질을 활용한 실험에서도 연구팀은 유전자가 나노케이지가 표적 세포까지 성공적으로 전달됨을 확인했다. 이상민 교수는 “AI의 발전으로 인류가 원하는 인공 단백질을 설계하고 조립하는 시대가 열렸다”며 “이번 연구가 유전자 치료제는 물론, 차세대 백신 등 다양한 의·생명 분야의 혁신적인 발전에 기여할 것"으로 기대했다. 이상민 교수와 데이비드 베이커 교수가 협력한 이 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구사업, 나노소재기술개발사업, 글로벌 기초연구실 사업과 미국 하워드 휴즈 의학연구소(HHMI, Howard Hughes Medical Institute) 지원을 받았다