Baker 연구소, 질병 관련 단백질을 절단하는 AI 단백질분해효소 설계

University of Washington 산하 Institute for Protein Design의 두 연구팀이 2026년 10월 14일 Nature에 논문을 발표했다. 이 논문들은 계산 방법을 이용해 처음부터 설계한 단백질분해효소가 폴리펩타이드 골격을 특정 서열에서 가수분해하며, 여기에는 TDP-43, 아밀로이드-β, 혈청 아밀로이드 A 등 인간 질환 관련 단백질의 절단 부위도 포함된다고 보고했다.

펩타이드 골격을 따라 아미노산을 연결하는 아미드 결합은 가수분해에 필요한 에너지 장벽이 높아 중성 수용액에서 수백 년 동안 안정적으로 유지되며, 새로운 효소를 처음부터 설계하는 데 성공한 사례는 이전까지 에너지 장벽이 낮은 모델 반응에 대체로 국한됐다고 시스테인 단백질분해효소 논문은 밝혔다. 한 연구에서는 아연 기반 금속단백질분해효소를 만들었고, 다른 연구에서는 활성화된 시스테인 친핵체를 통해 작동하는 단백질분해효소를 만들었다. 두 논문 모두 David Baker를 교신저자로 기재했으며, ETH Zurich의 Donald Hilvert도 두 논문 모두의 교신저자다.

아연 기반 금속단백질분해효소 설계 파이프라인

금속단백질분해효소의 계산 설계에서 공동 제1저자인 Anqi Chen과 Kejia Wu 및 동료들은 RFdiffusion 방법을 활용해 펩타이드 기질 결합 주머니 옆에 물을 활성화하는 아연 기반 활성 부위를 갖춘 단백질을 설계한 과정을 설명한다. 논문에 따르면 시험한 설계 135개 가운데 36%가 표적 절단 결합에서 각각에 대응하는 펩타이드 기질을 절단하는 반응을 촉매했다. 초기 설계 중 가장 성능이 뛰어난 것은 촉매 작용이 없는 반응보다 펩타이드 결합 가수분해 속도를 10⁸배 넘게 높였다. 논문에 따르면 활성 부위의 사전 조직화를 개선한 네 가지 치환으로 그 증가 폭은 10¹⁰배를 넘어섰다.

설계 생성 과정에서는 먼저 모티프를 골격에 배치해 골격을 한 차례 생성하고 서열을 설계한 뒤 AlphaFold 3로 필터링했다. 이어 추가 서열 설계와 필터링을 포함한 부분 확산 정련을 두 차례 진행하고, 마지막으로 서열 설계와 AlphaFold 3 필터링을 한 차례 반복했다. 연구팀은 Zn45라는 설계를 최적화하기 위해 21개 잔기 위치에서 단일 부위 포화 변이체 378개와 6개 위치에서 조합 변이체 148개를 선별했다. 그 결과 개선된 변이체 Zn45_v2를 얻었으며, 총 회전수와 Michaelis–Menten 동역학 측정으로 특성을 분석했다.

연구진은 Zn5, TDPr3, ZnO7, Zn48 등을 포함한 설계의 결정 구조를 규명하고, Protein Data Bank에 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY, 11DU라는 등록 코드로 기탁했다. 머신러닝 기반 힘장 계산을 통해 천연 아연 단백질분해효소 아스타신과 설계된 ZnO7 및 Zn45에서 친핵성 공격 단계의 활성화 에너지를 분석했다. 연구의 데이터와 코드는 Zenodo에서 이용할 수 있다.

질병 관련 단백질을 선택적으로 절단

금속단백질분해효소 논문은 인간 질환 관련 단백질인 TDP-43, 아밀로이드-β, 혈청 아밀로이드 A를 선택적으로 절단하는 설계를 보고했으며, 반응 속도는 최대 10⁹배까지 증가했다. 구체적인 예로는 TDP-43을 표적으로 하는 TDPr3, 서열 SSRSFFSFLG에서 혈청 아밀로이드 A를 표적으로 하는 SAAc8, 서열 KGAIIGLMVG에서 아밀로이드-β를 표적으로 하는 AbetaF3가 있다.

연구진은 TDP-43의 경우 기존 골격을 재설계해 단백질 전체를 분해하는 대신, 액-액 상분리와 올리고머화를 좌우하는 무질서한 C말단 도메인을 절단하도록 했다. 논문은 이 전략을 통해 단백질의 구조화된 도메인이 수행하는 필수적인 핵 내 기능을 없애지 않으면서 상분리 거동과 올리고머화를 조절할 수 있다고 설명한다.

연구팀은 설계된 단백질분해효소가 선택적으로 활성화하는 케이지화된 사이토카인과 수용체 길항제도 설계했다. 논문은 이를 통해 생체 직교 방식으로 세포 상태를 제어할 수 있다고 설명한다. 저자들은 처음부터 설계한 단백질분해효소가 활성이 높고 프로그래밍 가능하며, 치료제·생명공학·생물학적 정화 분야에 활용될 잠재력이 있다고 결론지었다.

이해 상충 공개문에 따르면 방법과 설계의 일부 측면과 관련해 가출원 64/047,504 및 63/921,483을 제출했다. 발명자 또는 기여자로는 Chen, Wu, Choi, Preetham Venkatesh, Samuel J. Pellock, Hilvert, Asim K. Bera, Baker가 기재됐다.

시스테인을 기반으로 구축한 두 번째 단백질분해효소 계열

Hojae Choi가 제1저자인 두 번째 연구 시스테인 단백질분해효소의 새로운 설계에서는 팀원 Brian Coventry와 Magnus S. Bauer가 개발한 RFD2-MI라는 새로운 딥러닝 방법을 사용해, 활성화된 시스테인 친핵체로 폴리펩타이드 골격을 서열에 따라 가수분해하는 효소를 설계했다. 논문은 시험한 설계 69개 중 13개가 활성을 보여 성공률이 19%였으며, 배경 반응보다 반응 속도가 최대 3 × 10⁷배 높았다고 보고했다.

설계된 단백질분해효소는 천연 단백질분해효소와 매우 다른 접힘 구조를 취하며 TM 점수가 0.50 미만이라고 논문은 보고했다. 결정 구조 6개의 경우 Cα 평균제곱근편차가 1.2 Å 미만으로 설계 모델과 일치했다. 이 구조들은 Protein Data Bank에 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ, 9YP0이라는 등록 코드로 기탁됐다. 설계 파이프라인에서는 RFD2-MI로 골격을 생성하고 ProteinMPNN으로 서열을 설계한 뒤 AlphaFold 3로 필터링하는 과정을 반복했다.

Dokki라는 프로테아제를 한 차례 재설계한 결과, 생성된 변이체 89개 가운데 24개가 기존 설계안보다 우수한 성능을 보였으며, 반응 속도는 1.2배에서 31배까지 향상됐다. 가장 크게 개선된 변이체에는 Dokki-15라는 이름이 붙었다. 논문에 따르면 설계된 프로테아제는 포유류 세포에서도 표적을 효과적으로 절단했다. 연구진은 효소에 따라 기질의 위치가 바뀌는 현상을 추적하는 리포터 분석을 HeLa 세포에서 수행해 이를 확인했으며, 대조군으로는 촉매 활성이 없는 돌연변이체를 사용했다. 저자들은 실험 및 계산 분석을 통해 가장 활성이 높은 천연 시스테인 프로테아제와 비교했을 때 남아 있는 활성 차이가 활성 부위의 사전 조직화와 기질 위치 선정의 불완전성에서 비롯된다고 설명했다.

논문 발표 이력, 연구비 지원 및 코드

Nature는 두 논문을 모두 2025년 10월 14일에 접수했다. 시스테인 프로테아제 논문은 2026년 9월 9일에, 금속단백질분해효소 논문은 2026년 9월 15일에 게재 승인됐다. 이전 버전은 2025년 11월 bioRxiv 사전 공개 논문으로 발표됐다. 시스테인 프로테아제 연구는 2025년 11월 22일에 공개됐고, 금속단백질분해효소 연구는 2025년 11월 21일에 처음 공개된 뒤 수정이 거듭돼 2026년 9월 27일 네 번째 버전이 나왔다.

연구비 지원 내역에는 Howard Hughes Medical Institute, Bill and Melinda Gates Foundation, Defense Threat Reduction Agency, National Science Foundation, National Institutes of Health 산하 National Institute of Allergy and Infectious Diseases와 National Institute on Aging, Advanced Research Projects Agency for Health의 APECx 프로그램, Institute for Protein Design의 The Audacious Project, Open Philanthropy Project 등이 포함됐다. 시스테인 프로테아제 연구의 설계 및 분석 코드는 GitHub 저장소 두 곳에서 공개적으로 이용할 수 있으며, 시스테인 프로테아제 논문의 저자들은 이해 상충이 없다고 밝혔다.