과학기술정보통신부는 서울대학교 생명과학부 마틴 슈타이네거(Martin Steinegger) 교수 연구팀이 대규모 단백질 구조 빅데이터를 기반으로 한 초고속·고정밀 다중 정렬 분석 기술인 ‘폴드메이슨(FoldMason)’을 개발했다고 밝혔다.

과기정통부 ‘기초연구 사업’과 ‘합성생물학 기술 개발사업’의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 중 하나인 '사이언스(Science)'지에 1월 30일(현지 시각 1월 29일 14시, 미국 동부 일광 절약 시간'EDT') 게재됐다.

단백질은 아미노산 서열이 복잡하게 접힌 3차원 구조를 통해 질병이나 노화와 관련된 생물학적 기능을 수행하기 때문에 단백질 구조의 진화 과정을 이해하는 것은 질병의 원인을 밝히고 새로운 치료법을 찾는 데 매우 중요하다.

최근 인공지능(AI) 기술의 비약적인 발전으로 방대한 단백질 구조 데이터가 쏟아지고 있지만, 기존의 분석 기술은 연산 속도와 확장성 측면에서 한계를 보여왔다.

특히 단백질 간 유사성이 매우 낮아 분석이 거의 불가능했던 영역인 이른바 ‘트와일라이트 존(Twilight Zone)’은, 기존 방식으로는 접근에 한계가 있어 수십억 년의 진화 과정을 규명하는 데 큰 걸림돌이 되어 왔다.

슈타이네거 교수 연구팀은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해, 단백질의 3차원 구조와 아미노산 서열 정보를 통합적으로 분석하는 새로운 소프트웨어인 ‘폴드메이슨(FoldMason)’을 개발했다.

이를 통해 기존 기술보다 100배에서 최대 1,000배나 빠른 속도를 내면서도 높은 정확도를 확보하며, 수십만 개의 단백질 구조를 한꺼번에 비교할 수 있는 세계 최고 수준의 성능을 갖추게 됐다. 덕분에 그동안 분석이 까다로웠던 ‘트와일라이트 존(Twilight Zone)’을 포함해, 거의 모든 단백질 계열을 폭넓게 비교하고 분석할 수 있는 길을 열었다.

또한 연구팀은 ‘폴드메이슨(FoldMason)’을 활용해 인간과 박테리아처럼 서로 완전히 다른 생명체라도 바이러스에 대항하는 핵심 단백질의 설계도가 수십억 년간 거의 변하지 않고 유지되어 왔다는 사실을 확인하여, 우리 몸의 면역 체계가 어디서부터 시작됐는지를 밝히는 중요한 실마리를 제공한다.

이번 연구 성과는 과기정통부가 유망한 젊은 연구자의 창의적인 아이디어를 지원하는 ‘우수 신진 연구지원 부문(트랙)’을 통해 거둔 결실이다. 특히 독일 출신의 슈타이네거 교수와 호주 출신의 카메론 길크리스트 박사 등 세계(글로벌) 우수 인재들이 한국의 연구 기반 시설(인프라)과 지원 정책을 바탕으로 국내에서 달성한 성과라는 점에서 더욱 의미가 깊다.

연구를 수행한 슈타이네거 교수는 “이번 연구 성과는 수십억 년에 걸친 단백질 진화를 대규모로 추적할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”라며, “향후 대규모 구조 변이 분석을 통해 질병 관련 단백질의 기능적 차이를 규명하고, 새로운 신약 표적을 발굴하는 데 기여할 것”이라고 밝혔다.

과기정통부 구혁채 제1차관은 “슈타이네거 교수는 단백질 구조 분석 등 인공지능-생명과학(바이오) 분야에서 탁월한 연구 성과를 창출할 유망주로 기대된다”라며, “국내로 초빙된 외국 석학들이 국내의 연구 역량 확보에 보탬이 될 수 있도록 연구과제와 정주 여건 등 다양한 지원을 지속해 나갈 것”이라고 밝혔다.