이상민(오른쪽) POSTECH 교수와 데이비드 베이커 미국 워싱턴대학교 교수.[POSTECH 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과 미국 연구진이 바이러스 구조를 AI로 구현, 차세대 약물 전달체 기술발전의 새 전기를 마련했다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 이상민 교수가 노벨화학상 수상자인 미국 워싱턴대 데이비드 베이커 교수와 함께 인공지능(AI)을 활용해 자연계 바이러스의 조립 원리를 그대로 재현한 대형 단백질 구조체를 설계하는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구성과는 과학 분야 세계 최고 학술지인 ‘네이처(Nature)’에 21일(현지 시각 20일) 게재됐다.

이번 연구성과는 단일 단백질 구성요소가 오·육각형 배열을 동시에 형성하며 바이러스 유사 구조로 자가조립되는 설계 원리를 개발한 것이다.

최근 바이오·의학 분야에서 차세대 약물 전달 기술로 가장 주목받고 있는 핵심 소재는 ‘단백질 나노케이지’다.

단백질 나노케이지는 여러 단백질이 스스로 결합해 만든 나노미터(nm) 크기의 속이 비어있는 구조체로서, 내부 공간에 약물, 유전물질, 효소 등을 안정적으로 탑재할 수 있고, 껍질에는 항원을 부착할 수 있다.

하지만 그동안 계산에 따른 ‘완벽한 대칭 구조’를 만드는데 주로 의존해 왔으며, 이로 인해 하나의 단백질로 구현할 수 있는 구조체의 크기가 매우 제한적이고 형태가 단순하다는 한계가 있었다.

연구진은 바이러스 껍질이 커지는 핵심 열쇠가 단백질 블록 사이의 각도와 휘어짐에 있다는 점에 주목했다. 단백질이 너무 평평하게 배열되면 껍질이 닫힌 구조가 되지 않고, 반대로 너무 많이 휘면 구조가 작아지는 특성이 있어, 이를 정밀하게 설계하여 하나의 단백질이 위치에 따라 오각형 환경과 육각형 환경을 동시에 형성하도록 유도했다.

이를 위해 단백질 3개가 뭉친 ‘삼량체 단위’를 기본 블록으로 설정하고, 인공지능 기반 단백질 구조 생성 도구인 ‘알에프디퓨전(RFdiffusion)’을 활용해 새로운 연결 구조를 설계했다. 마치 조립식 블록을 쌓는 것처럼 하나의 단백질이 서로 다른 각도로 맞물리도록 하여 평평한 판이 아닌 거대한 돔 형태의 껍질을 구현한 것이다.

실제 바이러스 껍질 구조와 AI 설계 단백질 나노케이지 비교.[POSTECH 제공]

연구진은 설계한 인공 단백질을 미생물(대장균)을 통해 실제로 만든 후, 최첨단 극저온 전자현미경으로 그 형태를 관찰했다. 그 결과, 단백질들이 스스로 뭉쳐 최소 70nm(나노미터)에서 최대 220nm에 이르는 다양한 크기의 둥근 껍질들을 만들어 내는 것을 확인했다. 가장 작은 구조는 정교한 ‘나노 축구공’ 형태를 띠었으며, 큰 구조는 그보다 3배 이상 거대했다.

이번 연구는 자연에 존재하는 바이러스 단백질을 그대로 재활용한 것이 아니라, AI로 새롭게 설계한 단일 인공 단백질만으로 바이러스와 유사한 대형 구조체를 자유자재로 만들어 냈다는 점에서 학계의 큰 주목을 받고 있다. 이 기술이 상용화되면 향후 표적 약물 및 유전물질 전달체, 백신 항원 제시 플랫폼 등 바이오·의학 분야 전반에 걸쳐 혁신적인 확장성을 보여줄 것으로 기대된다.

이상민 교수는 “이번 성과는 단백질 설계가 작은 대칭 구조를 넘어, 바이러스 크기 수준의 복잡한 나노소재로 확장될 수 있음을 보여준다”면서 “향후 약물 전달체, 백신 플랫폼, 효소 캡슐화, 인공 세포소기관, 프로그램 가능한 생체소재 개발의 기반 기술로 활용될 수 있다”고 밝혔다.

한편 이상민 교수는 2021년 2월부터 2년 9개월 동안 데이비드 베이커 교수 연구실에서 박사후연구원으로 재직하다 지난 2024년 POSTECH에 부임했다.