데이비드 베이커 교수 "AI 설계 '인공 프로테아제'로 뇌질환 치료 난제 해결"

2024년 노벨 화학상 수상자인 데이비드 베이커 미국 워싱턴대(University of Washington) 교수가 6일 연세대에서 열린 2026 IBS 콘퍼런스 기조강연을 통해 AI 기반 단백질 설계 기술의 최신 연구 성과를 발표했다. 노벨상 수상 이후 첫 방한인 이번 강연에서 베이커 교수는 자연 진화 과정을 거치지 않고 생성형 AI를 통해 원하는 기능을 갖춘 단백질을 처음부터 설계하는 기술적 진보를 강조했다. 베이커 교수는 특정 단백질을 선택적으로 절단하는 효소인 프로테아제를 인공적으로 설계하는 데 성공했다고 밝혔다. 프로테아제는 아미노산 사이의 안정적인 결합을 정확한 부위에서 끊어내야 하는 특성상 설계 난도가 매우 높은 분야로 알려져 있다. 베이커 교수 연구팀은 자체 개발한 생성형 AI 모델인 RFdiffusion을 투입해 이 문제를 해결했다. 연구자가 특정 핵심 기능만을 지정하면 AI가 해당 기능을 수행할 수 있는 효소의 전체 형태를 자동으로 도출하는 방식이다. 설계된 인공 프로테아제는 촉매 없는 자연 분해 상태와 비교해 100억 배 빠른 속도로 단백질을 절단하는 성능을 보였다. 특히 200회 이상 반복 작동이 가능해 자연계 효소에 준하는 효율성을 입증했다. 베이커 교수는 해당 기술을 알츠하이머병의 원인인 타우 단백질과 파킨슨병 관련 알파-시누클레인 등 뇌질환 유발 단백질을 분해하는 치료제 개발에 적용하고 있다. 기존 항체 치료제와의 차별성도 구체화됐다. 베이커 교수는 "기존 항체 치료제는 원인 단백질 하나를 제거하기 위해 항체 역시 하나가 필요해 대량 투여가 불가피하지만, 효소는 소량으로도 반복 작동하기 때문에 치료 효율이 훨씬 높다"고 설명했다. 이와 함께 암세포의 특정 표지에 반응해 면역반응을 활성화하는 스위치 단백질을 설계하여 기존 면역항암제의 전신 독성 문제를 해결할 수 있는 대안도 제시했다. 진단 분야에서는 변형된 타우 단백질에만 결합하는 설계 단백질을 통해 알츠하이머병의 진행 상태를 추적하는 도구를 개발 중이다. 베이커 교수는 향후 연구 방향으로 단백질 나노머신을 제시하며, 형태 변화와 화학 반응을 동시에 수행하는 초소형 기계가 뇌 내 비정상 단백질 덩어리를 분해하는 시대가 올 것으로 전망했다. 환경 분야에서는 플라스틱 분해 효소 설계 연구가 병행되고 있다. 이번 연구의 핵심 기여자로 소개된 한국인 최호재 씨는 워싱턴대 '생물물리학·구조 및 설계' 대학원 과정에 재학 중이며, 시스테인 기반 인공 프로테아제의 설계부터 검증 전 과정을 주도했다. 최호재 씨가 제1저자로 이름을 올린 해당 논문에서는 설계된 효소의 결정 구조가 AI 설계 모델과 원자 수준에서 거의 일치하는 것이 확인됐으며, 구조적으로도 자연계 프로테아제와 전혀 다른 새로운 형태를 구현해 인공 효소 설계 분야의 가능성을 한 단계 확장했다는 평가를 받고 있다.