인류를 위협한 바이러스가 미래를 연다

포스텍 화학공학과의 이상민 교수는 워싱턴 대학의 2024년 노벨 화학상 수상자 데이비드 베이커 교수와 협력하여 인공지능(AI)을 사용하여 바이러스의 복잡한 구조를 모방하여 혁신적인 치료 플랫폼을 개발했습니다. 그들의 선구적인 연구는 12월 18일 Nature 에 게재되었습니다.

바이러스는 구형 단백질 껍질 안에 유전 물질을 캡슐화하도록 독특하게 설계되어, 복제하고 숙주 세포를 침입하여 종종 질병을 유발합니다. 이러한 복잡한 구조에서 영감을 얻은 연구자들은 바이러스를 모델로 한 인공 단백질을 탐구해 왔습니다. 이러한 "나노케이지"는 바이러스 행동을 모방하여 효과적으로 표적 세포에 치료 유전자를 전달합니다. 그러나 기존의 나노케이지는 상당한 어려움에 직면해 있습니다. 크기가 작아 운반할 수 있는 유전 물질의 양이 제한되고, 간단한 디자인으로 천연 바이러스 단백질의 다기능성을 복제하는 데 미치지 못합니다.

이러한 한계를 해결하기 위해 연구팀은 AI 기반 계산 설계를 사용했습니다. 대부분의 바이러스는 대칭 구조를 나타내지만 미묘한 비대칭도 있습니다. 연구팀은 AI를 활용하여 이러한 미묘한 특성을 재현하고 처음으로 사면체, 팔면체 및 이십면체 모양의 나노케이지를 성공적으로 설계했습니다.

그 결과 나노구조는 4가지 유형의 인공 단백질로 구성되어 6가지의 독특한 단백질-단백질 인터페이스가 있는 복잡한 구조를 형성합니다. 이 중에서 직경이 최대 75나노미터인 이십면체 구조는 아데노 관련 바이러스(AAV)와 같은 기존 유전자 전달 벡터보다 3배 더 많은 유전 물질을 보유할 수 있는 능력으로 두드러지며, 이는 유전자 치료의 상당한 진전을 나타냅니다.

전자 현미경을 통해 AI가 설계한 나노케이지가 의도한 대로 정밀한 대칭 구조를 달성했음이 확인되었습니다. 기능적 실험을 통해 표적 세포에 치료적 탑재물을 효과적으로 전달하는 능력이 더욱 입증되어 실용적인 의료 응용 분야의 길을 열었습니다.

"AI의 발전은 인간의 요구를 충족하는 인공 단백질을 설계하고 조립할 수 있는 새로운 시대로의 문을 열었습니다."라고 상민 리 교수는 말했습니다. "이 연구가 유전자 치료의 개발을 가속화할 뿐만 아니라 차세대 백신과 기타 생물의학 혁신의 돌파구를 마련하기를 바랍니다."

이 교수는 2024년 1월에 POSTECH에 합류하기 전까지 약 3년 동안, 2021년 2월부터 2023년 말까지 워싱턴 대학의 베이커 교수 연구실에서 박사후 연구원으로 일했습니다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 우수 청년과학자 프로그램, 나노 및 소재기술개발사업, 글로벌 프런티어 연구사업의 지원을 받았으며, 미국 하워드 휴즈 의학연구소(HHMI)의 추가 자금이 지원되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241225145516.htm