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.

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