호주 과학자들이 살아있는 세포를 '인공지능(AI) 엔진'처럼 활용해 신약 개발 기간을 획기적으로 단축하는 기술을 개발했다. '프로테우스(PROTEUS)'라 불리는 이 기술은 인체와 유사한 포유류 세포 안에서 원하는 기능을 가진 분자만 골라 빠르게 진화시키는 방식이다. 수년이 걸리던 신약 후보 물질 탐색을 몇 주 만에 끝낼 수 있어, 과학계의 큰 주목을 받고 있다.

프로테우스(PROTEUS)는 '선택 기반 단백질 진화(PROTein Evolution Using Selection)'의 약자로, 이 시스템은 유전자 치료로부터 질병 치료 단백질에 이르기까지 모든 것을 설계하는 방식을 바꿀 수 있다. 

메디컬익스프레스에 따르면 기존에도 진화의 원리를 이용해 원하는 분자를 만드는 '지향적 진화(directed evolution)' 기술은 있었지만, 주로 구조가 단순한 박테리아나 효모에서만 가능했다. 인체처럼 복잡한 포유류 세포에서 이 기술을 구현한 것은 프로테우스가 세계 최초다. 신약 개발은 물론 유전자 치료 분야의 패러다임을 바꿀 기술로 기대를 모은다.

AI처럼 문제 푸는 '유전자 택배상자'

프로테우스의 핵심은 '키메라 바이러스 유사 소포'라는 특별한 '유전자 택배상자'에 있다. 연구팀은 인체에 무해하도록 바이러스의 유전자를 조작해, 원하는 유전 정보(돌연변이 후보)를 세포 안으로 안전하게 배달하는 시스템을 만들었다.

ZME 사이언스에 따르면 이 소유전자 택배상자는 포유류 세포에 침투할 수 있는 알파바이러스인 셈리키 포레스트 바이러스(Semliki Forest Virus)의 변형된 버전을 기반으로 한다. 

셈리키 포레스트 바이러스는 생물학 연구에서 바이러스 생활주기 및 바이러스 신경병증 모델로 광범위하게 사용되어 왔다. 

연구팀은 셈리키 포레스트 바이러스에서 감염을 유발할 수 있는 단백질 껍질인 바이러스 캡시드를 제거하고 완전히 다른 바이러스의 외피 단백질로 대체했다. 이러한 하이브리드 설계 덕분에 PROTEUS는 인체에 무해하게 안전하고 견고하게 작동할 수 있었다.

택배상자가 세포 안에 들어가면, 그 안의 유전 정보가 세포의 생존과 기능에 어떤 영향을 주는지 시험이 시작된다. 이 중 특정 질병을 억제하는 등 연구팀이 원하는 '정답'에 가까운 기능을 보이는 유전자만 살아남아 다음 진화 단계로 넘어간다. 수백만 개의 후보군이 이런 과정을 거치며 가장 뛰어난 성능을 가진 분자만 남게 된다. 마치 AI가 수많은 데이터 속에서 최적의 답을 찾아내는 것과 같은 원리다.

실험으로 증명된 강력한 성능

연구팀은 프로테우스의 성능을 여러 실험으로 증명했다. 특정 항생제(독시사이클린)를 무력화하는 단백질을 만드는 데 단 4번의 진화 주기만으로 성공했다.

약물에 반응해 유전자를 켜고 끄는 '유전자 스위치'의 성능 개선 실험에서는 더욱 놀라운 결과를 보였다. 기존 스위치를 30번 진화시켜, 약물에 6배나 더 민감하게 반응하는 새로운 버전을 개발한 것이다. 특히 이 새로운 스위치는 복잡한 포유류 세포에서만 작동해, 기존 기술의 한계를 명확히 뛰어넘었음을 입증했다.

암 신호 감지하는 '나노바디'도 뚝딱

가장 주목받는 성과는 암 발생의 중요 신호를 감지하는 바이오센서를 만든 것이다. 연구팀은 항체의 크기를 줄인 '나노바디(nanobody)'를 진화시켜, 암세포의 특징 중 하나인 DNA 손상을 정확히 찾아내도록 했다.

기존 나노바디는 세포핵 안의 목표물(종양 억제 단백질 p53)을 잘 찾지 못했지만, 35번의 진화를 거친 나노바디는 암세포 안에서 목표물을 정확히 찾아내 밝은 빛을 내는 데 성공했다.

이러한 실험은 안전한 환경을 위해 아기 햄스터의 신장 세포(BHK-21)에서 진행됐다. 여기서 만들어진 고성능 분자들은 이후 인간 세포 환경에서도 뛰어난 성능을 발휘하는 것으로 확인됐다.

열린 기술, 밝은 미래를 향하다

이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 실렸으며, 프로테우스 기술은 전 세계 연구자들이 쓸 수 있도록 오픈 소스로 공개됐다.

연구를 주도한 호주 시드니 대학교의 그레그 닐리 교수는 "프로테우스는 우리 몸에 최적화된 분자를 만들어, 기존 기술로는 불가능했던 신약 개발을 가능하게 한다"고 말했다. 같은 대학의 크리스토퍼 데네스 박사 또한 "이제 우리는 해결하기 어려운 유전 문제를 세포에 제시하고, 세포가 어떻게 해답을 찾는지 실시간으로 관찰할 수 있게 됐다"고 그 뜻을 설명했다.

프로테우스는 앞으로 질환이나 인체 조직에 따라 특화된 맞춤형 치료제 개발의 문을 활짝 열 것으로 보인다. 인류의 건강한 미래를 앞당길 이 '세포 속 AI'의 활약에 전 세계의 이목이 쏠리고 있다.