국내 연구자를 포함한 국제 공동연구진이 인공지능(AI)을 활용해 자연계 바이러스와 비슷한 방식으로 조립되는 대형 단백질 구조체를 설계했다.
과학기술정보통신부는 이상민 포스텍 화학공학과 교수가 2024년 노벨 화학상 수상자인 데이비드 베이커 미국 워싱턴대 교수 연구진과 함께 단일 인공 단백질이 스스로 모여 바이러스 유사 구조를 만드는 설계 원리를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처'에 21일 게재됐다.
'단백질 나노케이지'는 여러 단백질이 스스로 결합해 만든 ㎚(나노미터·10억분의 1m) 크기의 속 빈 구조체를 말한다. 내부 공간에 약물이나 유전물질, 효소 등을 담을 수 있고, 겉면에는 백신 항원 같은 물질을 붙일 수 있다.
이 때문에 단백질 나노케이지는 이미 백신과 약물 전달 연구에서 활용 가능성이 꾸준히 검토돼 왔다. 예를 들어, 철 저장 단백질인 페리틴은 속이 빈 구형 구조를 스스로 만들기 때문에 항원 제시나 약물 탑재용 플랫폼으로 연구돼 왔다.
연구진은 단백질 나노케이지를 구현하기 위해 '준대칭성'을 인공 단백질 설계에 적용했다. 준대칭성은 완전히 똑같은 방식으로 반복되는 것은 아니지만, 전체적으로는 질서 있는 구조를 이루는 원리로, 자연계의 바이러스에서 찾아볼 수 있다.
연구진은 단백질 3개가 모인 '삼량체'를 기본 단위로 삼고, AI 기반 단백질 구조 생성 도구를 활용해 새로운 연결 구조를 설계했다. 연구진은 이 도구를 이용해 단백질들이 평평한 판처럼 퍼지지 않고, 둥근 돔 형태의 껍질로 닫히도록 연결 부위를 설계했다.
설계한 단백질은 대장균을 이용해 실제로 생산됐다. 이후 극저온 전자현미경으로 구조를 관찰한 결과, 단백질들이 스스로 조립돼 지름 약 70㎚에서 220㎚에 이르는 다양한 크기의 둥근 껍질을 형성하는 것으로 확인됐다. 가장 작은 구조체는 정교한 '나노 축구공'과 비슷한 형태를 보였다.
연구진은 앞으로 내부 지지 단백질이나 핵산 등을 주형으로 활용해 구조체 크기를 더 균일하게 제어하는 후속 연구를 진행할 계획이다. 향후 구조체의 크기와 균일성을 더 정밀하게 조절할 수 있다면 표적 약물 전달, 유전물질 전달, 백신 항원 제시 등 바이오·의학 분야에서 활용 가능성이 커질 것으로 보인다.
이상민 교수는 "바이러스는 완벽한 대칭이 아니어도 정교한 분자 구조를 만들 수 있음을 보여주는 좋은 자연 모델"이라며 "단백질 블록 사이의 미세한 각도 조절만으로도 최종 구조체의 크기와 형태를 바꿀 수 있다는 점을 확인한 연구"라고 설명했다.
참고 자료
Nature(2026), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10554-z