수억 개 단백질 구조 초고속 분석 가능
신약 개발·인공효소 설계 활용 기대

국내 연구진이 수억 개에 달하는 단백질 구조 데이터에서 기능을 결정하는 핵심 패턴을 단 몇 초 만에 찾아낼 수 있는 초고속 검색 기술을 개발했습니다.

한국연구재단은 서울대학교 마틴 슈타이네거 교수 연구팀이 단백질의 구조 모티브를 초고속으로 탐색하는 검색 도구 '폴드디스코(Folddisco)'를 개발했다고 밝혔습니다.

단백질의 구조 모티프는 효소의 활성 부위나 결합 부위처럼 단백질 기능을 결정하는 핵심 3차원 구조를 의미합니다.

몇 개의 아미노산이 특정한 위치와 각도로 배열된 구조로, 단백질 기능을 식별하는 일종의 '지문' 역할을 합니다.

연구자들은 이 구조를 분석해 기능이 알려지지 않은 단백질의 역할을 추정할 수 있지만, 기존 기술은 방대한 저장 공간과 긴 분석 시간이 필요해 대규모 데이터베이스 활용에 한계가 있었습니다.

연구팀은 단백질 내 인접한 아미노산 쌍의 거리와 각도, 방향 정보를 수치화해 색인하는 새로운 방식을 도입했습니다.

여기에 아미노산 곁사슬의 방향 정보까지 반영해 기능 부위의 미세한 구조 차이도 정밀하게 구분할 수 있도록 했습니다.

또 위치 정보를 저장하지 않는 색인 기술과 희귀한 구조 패턴에 더 높은 점수를 부여하는 분석 기법을 적용해 속도와 저장 효율을 동시에 높였습니다.

이를 통해 폴드디스코는 기존 기술보다 색인 저장 공간을 4분의 1 수준으로 줄이면서도 검색 속도는 20배, 색인 생성 속도는 11배 빠르게 구조 모티브를 찾아냈습니다.

연구팀은 실제 실험에서 지금까지 기능이 알려지지 않았던 단백질에서 '아연집게(zinc finger)' 구조를 찾아냈으며, 세포막 수용체의 활성 상태와 비활성 상태도 정확히 구분해냈습니다.

특히 짧은 활성 부위뿐 아니라 단백질 내 멀리 떨어진 구조 패턴까지 탐색 가능해 활용 범위가 넓다는 게 연구진의 설명입니다.

연구진은 이번 기술이 미지의 단백질 기능 규명은 물론 인공 효소 설계와 신약 후보 물질 개발 등 바이오·의약 분야 전반에 활용될 것으로 기대하고 있습니다.

마틴 슈타이네거 교수는 "현재는 단백질 구조 검색에 한정돼 있지만 앞으로는 핵산과 약물 등 다른 생체분자까지 분석 범위를 확대해 생명 현상을 통합적으로 분석할 수 있는 도구로 발전시킬 계획"이라고 말했습니다.

이번 연구 성과는 생명과학 분야 권위지인 ‘네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)’에 지난 6월 5일 자 온라인 판에 실렸습니다.