새로운 단백질을 디자인하여 이룰 수 있는 다섯 가지 목표

단백질은 분자로 구성된 놀라운 기계입니다. 음식을 소화시키고, 신경세포를 자극하며, 면역체계를 더욱 공고히 하는 등 여러 일을 해내죠. 만약 우리가 자연에선 보지 못한 새로운 기능을 가진 단백질을 디자인할 수 있다면 어떨까요? 경이로운 미래를 엿볼 수 있는 이 강연에서, 데이비드 베이커는 'Protein Design' 연구소에서 자신의 팀이 어떻게 전에 없던 새로운 단백질을 만드는지 설명하고, 또한 그들이 인류가 맞닥뜨린 다섯 가지의 과제를 어떻게 해결할 수 있는지도 설명합니다. (이 야심찬 계획은 전 세계적인 변화를 위해 연구지원하는 TED의 '대담한 프로젝트( Audacious Project)'의 일부입니다.)

세상에서 가장 놀라운 기계들을
소개해드리려고 합니다.

그것으로 무엇을 할 수 있는지도요.

단백질은

이처럼 세포 안에 존재하며

우리 몸의 모든 중요한
기능을 담당합니다.

단백질은 음식을 소화시키고,

근육을 수축시키고,

신경세포를 자극하며,

면역체계를 더욱 공고히 합니다.

생명체에게 일어나는 모든 일은

거의 대부분
단백질 때문에 발생합니다.

단백질은 아미노산이라는 요소로
만들어진 길다란 띠 모양입니다.

자연계엔 알파벳으로 구분되는
20개의 아미노산이 있습니다.

그 중엔 여러분이 들어본
아미노산도 있을겁니다.

이 사진에서 한 알갱이는
하나의 원자를 뜻합니다.

정리되지 않은 긴 단백질 띠는
아미노산 사이의 화학적 힘에 의해

독특한 3차원 구조로 접힙니다.

이 접힘 과정은

불규칙해 보이지만,

사실 굉장히 정교합니다.

각 단백질은 특정한 구조로 접히고,

이 접힘 과정은
몇 분의 일 초만에 일어납니다.

그리고 단백질은 이러한 구조 덕분에

놀라운 생물학적 기능들을
수행할 수 있습니다.

예를 들어,

폐 안에서 헤모글로빈의 구조는

산소 분자와 결합하기에
가장 좋은 형태가 됩니다.

이 헤모글로빈이 근육으로 이동하면

단백질 구조가 약간 바뀌어

산소 분자가 방출됩니다.

단백질의 구조와

그에 따른 놀라운 기능은

단백질 띠를 이루는 아미노산의
순서에 의해 결정됩니다.

이 그림 속 각각의 알파벳은
하나의 아미노산을 뜻합니다.

그 배열 순서는 어떻게 정해질까요?

바로 여러분의 게놈 속 유전자가

단백질을 만드는 아미노산의
배열 순서를결정합니다.

하나의 유전자는 한 단백질의
아미노산 순서를 부호화시킵니다.

이러한 아미노산의 순서와

단백질의 구조 및 기능 간의 관계가

'단백질 접힘 문제' 입니다.

이는 굉장히 복잡한 문제입니다.

한 단백질이 가질 수 있는 구조는
수없이 많기 때문이죠.

이러한 복잡성 때문에

인간은 자연에서 찾은
단백질의 아미노산 순서에

아주 작은 변화를 일으켜

단백질이 가진 능력의
일부분만 이용할 수 있었습니다.

그것은 마치
우리의 석기시대 조상들이

주변에서 찾은 막대와 돌을 사용해
도구를 만든 과정과 비슷합니다.

그러나 인간은 새를 변형시켜가며
하늘을 나는 법을 찾아내진 않았죠.

(웃음)

대신, 과학자들은
새에서 아이디어를 얻어

공기역학의 원리를 발견해냈죠.

엔지니어들이 그 원리를 이용해
인간을 위한 비행 장치를 만들어냈고요.

이런 식으로,

우리는 수년간의 연구를 통해

단백질 접힘의 근본적 원리를 찾아내고,

로제타라는 컴퓨터 프로그램으로
그 원리를 프로그램화했습니다.

우리는 최근 큰 발전을 이뤄냈습니다.

완전히 새로운 단백질을
컴퓨터로 만들 수 있게 된 것이죠.

새로운 단백질을 디자인하고

합성 유전자의 아미노산
배열 순서를 만들면 됩니다.

합성 유전자를 만들어야 하는 이유는

만들어진 단백질이 완전히
새로운 것이다 보니,

지구상에 있는 어떤 생물의 유전자도
이 단백질를 만들지 못하기 때문입니다.

단백질 접힘 문제와
단백질 디자인 방법에 대한

우리들의 이해가 발전함으로써,

단백질 합성에 드는
비용을 줄일 수 있었습니다.

또한 무어의 법칙에 따라 발전하는
컴퓨터 기능 덕분에

여러 모양과 기능을 가진
수백, 수천 종류의 단백질을

컴퓨터로 디자인하고,

각각의 단백질을 합성 유전자에
부호화할 수 있게 되었습니다.

이러한 합성 유전자가 만들어지면,

그것을 박테리아에 주입하여

새로운 단백질을 만들어 내도록
프로그래밍합니다.

이후에 박테리아에서 단백질을 추출하여

우리가 계획한대로
단백질이 기능하고 있는지,

안전한지 결론을 짓습니다.

새로운 단백질을 만드는 건
매우 흥미로운 일입니다.

왜냐하면, 자연의 다양성에도 불구하고

생물의 진화는 가능한 단백질 종류 중
극히 일부만 만들었기 때문입니다.

자연은 20개의 알파벳으로 구분되는
아미노산만 사용한다고 말씀드렸는데요.

또한 대부분의 단백질 띠에는 100개의
아미노산이 있다고도 말씀드렸죠.

그러면 가능한 모든 경우의 수는

20 곱하기 20 곱하기 20..
그렇게 100번 반복되므로

총 가짓수의 숫자 단위가
10의 130승이 됩니다.

이는 지구상에 생물이 생긴 이래로
지금껏 만들어진 총 단백질 수보다

훨씬 많은 숫자입니다.

그 상상할 수 없이 큰 공간을

이제 컴퓨터로 단백질을 디자인하여
탐험할 수 있게 된 것입니다.

이제, 지구상에 존재하는 단백질은

자연적 진화가 맞닥뜨린 문제를
해결할 수 있도록 발전되었습니다.

예를 들어, 게놈 복제가 있습니다.

그러나 최근, 우리는
새 어려움과 맞닥뜨렸습니다.

인간은 전보다 오래 살게 되었고,
새로운 질병이 중시됩니다.

우리는 지구의 온도를 올리고, 오염시켜

수많은 환경적 어려움과
대면해 있습니다.

우리가 수백만 년을 기다릴 수 있다면

이 어려움들을 해결하기 위한
새 단백질이 진화할지도 모릅니다.

그러나 수백만 년을 기다릴 순 없죠.

대신에 컴퓨터로 단백질을 디자인함으로써

오늘날의 어려움들을 해결하기 위한
단백질을 새로 만들어 낼 수 있습니다.

저희의 대담한 아이디어는

생물학을 석기시대에서
벗어나게 하는 것입니다.

단백질 디자인라는 기술 혁명을 통해서요.

저희가 새로운 모양과 기능의
단백질을 디자인할 수 있다는 건

이미 증명해 보였죠.

예를 들어, 백신은 면역체계를 자극시켜

우리가 병원균에 맞서
더욱 강력하게 대응하도록 합니다.

우린 더 좋은 백신을 만들기 위해

새로운 단백질 분자를 디자인하여

병원균의 단백질이
융합될 수 있도록 했습니다.

여기 파란색의 호흡기 바이러스
RSV의 단백질처럼 말이죠.

대체 백신을 만드는 작업은

그야말로 바이러스 단백질로
가득 채우는 것입니다.

밝혀진 바에 따르면

이러한 대체 백신은
이전에 실험된 그 어떤 백신보다

바이러스균에 매우 강력한
면역 반응을 보였습니다.

우리의 발견은 중요합니다.

현재 전 세계적으로 RSV가
영유아 사망의 주원인이기 때문이죠.

또한 우리는 만성소화장애를 위해

위 안의 글루텐을 분해하는
새로운 단백질을 디자인했습니다.

또 어떤 단백질은 면역체계를 자극하여
암과 싸우도록 만들기도 합니다.

이러한 발전은 그저
단백질 디자인 혁명의 시작일 뿐입니다.

우리는 과거의 기술적
혁명에 고무되어 왔습니다.

바로 디지털 혁명입니다.

한 분야의 발전이
광범위한 혁명을 일으켰죠.

벨 연구소도 있습니다.

벨 연구소는 늘 열려 있는
협력의 공간이었으며

세계의 인재들을
모을 수 있는 곳이었습니다.

그리고 이는 놀라운
혁신의 줄기로 이어졌습니다.

트랜지스터, 레이저, 위성통신,

그리고 인터넷의 기반이 탄생했죠.

우리의 목표는 단백질 디자인의
'벨 연구소'를 만드는 것입니다.

우리는 단백질 디자인 혁명을
가속화하기 위해

세계의 인재들을 모으고 있으며,

앞으로 다섯 가지의 큰 목표에
집중할 것입니다.

첫째, 전 세계의 독감 개체에서
단백질을 추출한 후

방금 보여드린 것처럼 미리 디자인된
단백질 분자와 결합시킴으로써

만능 독감백신을 만들고자 합니다.

예방 접종 한 번으로도 독감에
평생 면역이 생기는 백신말이죠.

백신을 디자인하는 능력..

(박수)

컴퓨터로 새로운 백신을
디자인할 수 있는 능력은

두 가지 측면에서 중요합니다.

자연 독감의 재앙을 막을 수 있고

의도적인 생화학무기 테러를
막을 수도 있죠.

두 번째 목표는

자연계에 있는 한정된 숫자의
아미노산 알파벳 20개를 훨씬 넘어

수천 개의 아미노산 알파벳을 사용하여
만성통증과 같은 질환을 위한

대체 치료제를 만드는 것입니다.

세 번째 목표는,
발달된 수송 소낭을 만들어

현존하는 약물치료가 신체의 필요한 곳에
정확히 도달하도록 하는 것 입니다.

예를 들자면, 종양에 가하는 화학치료나

유전자 수정이 필요한 세포 조직에
가하는 유전자 치료가 있습니다.

네 번째로, 체내에서 분석이 이루어지는
스마트 치료법을 개발하는 것입니다.

그러면 둔감한 도구일 뿐인 현대 의학을
훨씬 뛰어 넘게 될 것입니다.

예를 들어, 자가면역질환과 관련 있는

작은 규모의 면역 세포군을
목표로 치료하고

다른 대부분의 건강한 면역 세포는
제외하는 것이죠.

마지막으로, 우리에게 영감을 준
놀라운 생명의 산물들,

예를 들면, 비단, 전복 껍데기,
치아 같은 것들에서 영감을 얻어

에너지와 환경 문제를 해결해줄

단백질 기반 신물질들을
디자인하고 있습니다.

저희는 이 모든 걸 이루기 위해
연구소 규모를 확대하고 있습니다.

활동적이며, 재능 있는, 다양한 분야의
과학자들을 찾고 있습니다.

전 세계의 과학자들 누구라도
우리와 함께하길 기다리고 있습니다.

여러분도 단백질 디자인 혁명에
함께하실 수 있습니다.

접힘과 다지인을 할 수 있는
온라인 게임 'Foldit'과

분산 컴퓨팅 프로젝트인
'Rosetta@home'을 통해서요.

여러분의 노트북 및 안드로이드
스마트폰으로 참여할 수 있습니다.

단백질 디자인을 통해
더 나은 세상을 만드는 것이

저의 평생 사업입니다.

우리가 함께 어떤 일을 해낼지
정말 기대됩니다.

여러분의 참여를 기대합니다.

감사합니다.

(박수와 환호)