자연에서 발견되는 것과 같이 움직이는 인공 단백질

모양을 바꿀 수 있는 단백질을 만드는 능력은 의학, 농업 등 다양한 분야에 새로운 길을 열어줍니다.

단백질은 다른 분자와 상호작용할 때 형태를 변화시켜 생명을 촉진합니다. 그 결과 근육 경련, 빛 감지, 또는 음식에서 추출된 에너지가 발생합니다.

하지만 이 중요한 능력은 AI를 활용한 단백질 공학이라는 성장하는 분야에서는 구현되지 못했습니다.

이제 UCSF 연구진은 자연에서 볼 수 있는 단백질처럼 움직이고 모양을 바꾸는 새로운 단백질을 만드는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 이러한 능력은 과학자들이 질병 치료, 오염 정화, 작물 수확량 증대를 위한 강력하고 새로운 방식으로 단백질을 조작하는 데 도움이 될 것입니다.

"이 연구는 생물의학을 훨씬 넘어 농업과 환경 분야로 이어지는 길로 나아가는 첫 걸음입니다."라고 이 연구의 수석 저자이자 생명공학 교수인 탄자 코르테메 박사가 말했습니다. 이 연구는 5월 22일 Science 에 게재되었습니다.

이 연구는 미국 국립보건원의 지원을 받았습니다.

과학자들은 1980년대부터 움직이거나 모양을 바꿀 수 없는 단단한 단백질을 개발해 왔습니다. 이러한 단백질은 처음에는 세척액과 같은 상업용 제품에 사용되었습니다. 최근에는 인공 인슐린, GLP-1 체중 감량 약물, 암 및 염증에 대한 항체 치료제와 같은 블록버스터 의약품 생산에 활용되고 있습니다.

챈-주커버그 바이오허브 샌프란시스코의 연구원이기도 한 코르테메는, 이러한 움직이지 않는 분자는 중요하지만 복잡한 방식으로 회전하고, 꼬이고, 변형된 후 원래 모양으로 돌아올 수 있는 단백질의 잠재력에 필적할 수는 없다고 말했습니다.

그녀는 의학적 용도로 모방해야 할 가장 중요한 단백질은 신진대사, 세포 분열, 그리고 기타 기본적인 생명 기능과 같은 과정을 조절하는 단백질이라고 말했습니다. 이러한 강력한 단백질은 FDA 승인 약물 3개 중 거의 1개가 목표로 삼는 단백질입니다. 이 단백질들은 마치 온오프 스위치처럼 한 형태에서 다른 형태로, 그리고 다시 원래 형태로 바뀌면서 세포 내 또는 세포 간의 소통을 촉진합니다.

압도적인 문제

이처럼 안정적이면서도 역동적인 형태를 디자인하려면 계산 능력과 인공 지능이 필요한데, 이는 몇 년 전까지만 해도 존재하지 않았습니다.

이 도전은 매우 컸기에, 코르테메와 대학원생 에이미 궈는 작은 것부터 시작했습니다. 바로 간단한 천연 단백질에 새로운 방식으로 움직일 수 있는 능력을 부여하는 것이었습니다. 궈는 단백질의 일부를 칼슘과 결합하도록 변형했는데, 이는 단백질이 모양을 바꾸는 일반적인 방식입니다.

"다양한 상황에 적용할 수 있는 디자인 방법을 고안하고 싶었기 때문에, 많은 천연 단백질이 하는 일을 하는 움직이는 부분을 만드는 데 집중했습니다."라고 그녀는 말했습니다. "이러한 움직임을 정지된 인공 단백질에도 적용하여 그 기능을 확장할 수 있기를 바랍니다."

궈의 다음 단계는 단백질이 취할 수 있는 수천 가지 가능한 모양을 가상 라이브러리로 만드는 것이었습니다. 그녀는 단백질에 대해 두 가지 안정적인 모양을 선택했습니다. 하나는 칼슘과 결합할 수 있는 모양이고, 다른 하나는 칼슘과 결합할 수 없는 모양이었습니다.

그런 다음, 그녀는 가상 단백질의 특정 영역을 확대하여 그 안의 원자들이 어떻게 상호작용하는지 살펴보았습니다. 팬데믹 이전에 시작된 이 작업은 인공지능 프로그램인 알파폴드2가 출시되면서 가속화되었습니다. 궈는 이 프로그램을 사용하여 움직이는 부분을 비틀어 칼슘을 포획한 후, 다시 풀어서 자유롭게 했습니다.

연구진이 컴퓨터 시뮬레이션으로 모델을 테스트했을 때 진실의 순간이 찾아왔습니다. 그들은 핵자기공명(NMR)을 사용하여 단백질의 원자를 시각화하는 UCSF의 제약 화학자 마크 켈리 박사와 협력했습니다.

"시뮬레이션 결과 예상대로 정확히 작동하는 것을 보고 정말 놀랐어요." 궈 씨는 말했다. "이게 진짜라는 확신이 들고, 우리가 정말 해냈다는 확신이 들어요."

의학 분야에서는 이동 가능한 엔지니어링 단백질을 질병 신호에 반응하여 모양을 변화시켜 경보를 울리는 바이오센서에 사용할 수 있습니다. 또는 개인의 고유한 체질에 맞춰 작용하는 의약용 단백질로 사용할 수도 있습니다.

형상변환 단백질은 플라스틱을 분해하거나 식물이 가뭄이나 해충과 같은 기후 관련 스트레스에 저항하도록 도울 수 있도록 설계될 수도 있습니다. 심지어 균열이 생겼을 때 스스로 복구할 수 있는 금속을 만드는 데에도 사용될 수 있습니다.

궈 씨는 "가능성은 정말 무한합니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250522162658.htm