과학 포털 iKAOS

[질문Q] 알파폴드가 단백질 구조 예측을 잘하는 이유? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 9강

단백질 구조 예측의 정확성을 검증하는 것은 연구의 핵심적인 단계입니다. CASP와 같은 대회에서는 실험적으로 밝혀질 예정인 구조를 대상으로 예측을 수행하지만, 실제 연구 현장에서는 간접적인 실험을 통해 이를 확인합니다. 특정 아미노산을 변형했을 때 나타나는 성질의 변화를 관찰함으로써 예측된 구조의 타당성을 검토하는 방식입니다. 이러한 과정을 거쳐 구조 전체를 완벽히 풀어내지 못하더라도, 단백질이 가진 고유한 특성을 파악하고 다음 단계의 응용 연구로 나아갈 수 있는 토대를 마련하게 됩니다. 초저온 전자현미경(Cryo-EM)은 기존의 X선 방식보다 편리한 도구이지만, 여전히 단백질 시료 확보라는 큰 과제를 안고 있습니다. 특히 세포막에 파묻힌 단백질은 분리 과정에서 안정화하기가 매우 까다로워 실험적 접근이 어렵습니다. 실제 시료를 다루는 실험은 계산 과학에 비해 막대한 비용과 시간이 소요되며, 실험 환경과 실제 생체 환경 사이의 차이를 극복해야 하는 문제도 존재합니다. 따라서 실험 데이터의 한계를 인지하고 이를 보완할 수 있는 다각적인 연구 태도가 필수적입니다. 첨단 과학 연구를 지속하기 위해서는 이를 뒷받침할 수 있는 기반 시설과 컴퓨팅 자원이 필수적입니다. 우리나라는 IT 강국으로 불리지만, 기초 과학 분야에 투입되는 슈퍼컴퓨팅 자원은 주요 선진국들에 비해 다소 부족한 실정입니다. 계산 과학의 비중이 커지는 현대 연구에서 인프라에 대한 관심과 투자는 과학자들이 연구에 몰입할 수 있는 중요한 토대가 됩니다. 국가적 차원의 인프라 구축은 단순히 장비를 갖추는 것을 넘어, 미래 과학 기술의 경쟁력을 결정짓는 핵심 요소로 작용합니다. 전통적인 분자 구조 예측은 물리학 법칙에 기반하여 차근차근 계산을 쌓아가는 방식을 취해왔습니다. 하지만 원자 수가 늘어날수록 계산량이 기하급수적으로 증가하여 현재의 슈퍼컴퓨터로도 수개월에서 수년이 걸리는 한계가 있습니다. 이러한 물리적 계산의 시간적 제약을 극복하기 위해 최근에는 머신러닝 기법이 적극적으로 도입되고 있습니다. 머신러닝은 데이터로부터 학습하여 실용적인 예측 결과를 도출하며, 원리 기반의 프로그램이 해결하지 못하는 영역을 보완하는 중요한 역할을 수행합니다. 인공지능을 활용한 화학 연구에서 가장 중요한 것은 양질의 데이터를 어떻게 효율적으로 학습시키느냐에 달려 있습니다. 알파폴드의 성공 사례에서 보듯, 기존의 과학적 지식과 서열 진화 법칙 같은 정교한 데이터를 입력값으로 사용하는 것이 결과의 질을 결정합니다. 또한 분자의 3차원 구조나 텍스트 표현 등 컴퓨터가 이해하기 쉬운 방식으로 데이터를 가공하는 연구도 활발히 진행 중입니다. 인공지능은 우리가 미처 알지 못했던 새로운 화학적 원리를 발견하게 해주는 강력한 계기가 될 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

양자 세계를 눈으로 보는 방법! 무려 122억원짜리 전자현미경의 경이로운 성능을 보여드립니다. | 과학쿠키 다큐 단편

세상을 이루는 가장 작은 단위인 원자를 직접 눈으로 확인하는 것은 인류의 오랜 꿈이었습니다. 한국기초과학지원연구원(KBSI)의 초고전압 투과 전자현미경(HVEM)은 이 꿈을 현실로 바꿉니다. 금 원자들이 규칙적으로 배열된 모습이나 전자빔에 의해 원자가 하나둘 떨어져 나가는 장면은 경이로움 그 자체입니다. 122억 원에 달하는 이 거대한 장비는 빛 대신 전자를 사용하여 물체를 수십만 배로 확대하며, 우리 눈으로 볼 수 없는 미시 세계의 문을 여는 핵심적인 열쇠 역할을 수행합니다. 우리가 물체의 형태를 선명하게 파악하기 위해서는 관찰하려는 대상보다 더 작은 측정 도구가 필요합니다. 인간의 눈으로 인지하는 가시광선은 파장의 한계로 인해 마이크로미터보다 작은 나노 세계를 들여다보는 데 어려움이 있습니다. 과학자들은 이를 극복하기 위해 전자가 양자역학적 파동의 성질을 가진다는 점에 주목했습니다. 전자는 전기장을 통해 가속할 수 있고, 이를 활용하면 빛보다 훨씬 짧은 파장을 만들어내어 아주 미세한 구조까지 섬세하게 관찰할 수 있는 환경을 조성하게 됩니다. 전자현미경은 광학 현미경과 유사한 기본 구조를 지니지만, 빛을 굴절시키는 유리 렌즈 대신 전자기 코일을 활용한 전자기 렌즈를 사용합니다. 음(-)의 성질을 띤 전자빔은 자기장을 조절함에 따라 경로를 휘게 하거나 초점을 맞추는 것이 가능합니다. 다만 렌즈의 불완전성으로 인해 초점이 한 점에 모이지 않는 구면수차 현상이 발생할 수 있는데, 이를 정밀하게 보정하는 기술의 발전은 현미경의 성능을 결정짓는 핵심 요소가 되었습니다. 이러한 고도의 제어 기술 덕분에 오늘날 우리는 나노 세계를 선명하게 봅니다. 생명과학 연구의 패러다임을 바꾼 초저온 전자현미경(Cryo-EM) 시스템은 단백질과 같은 분자의 3차원 구조를 원자 수준 해상도로 이미징합니다. 시료를 액체 질소와 에테인을 이용해 유리처럼 투명한 상태로 급속 동결시키는 것이 핵심인데, 이는 생체 시료 고유의 형태를 유지하면서 전자빔에 의한 손상을 최소화하기 위함입니다. 덕분에 과거에는 결정화하기 어려워 관찰이 불가능했던 복잡한 세포막 단백질이나 바이러스 복합체의 정밀한 구조를 파악할 수 있어 신약 개발과 질병 연구에 지대한 공헌을 하고 있습니다. 생물 시료 관찰에 특화된 바이오 HVEM은 초고전압을 이용해 전자를 가속함으로써 압도적인 투과력을 선보입니다. 일반적인 전자현미경이 아주 얇은 단면만을 볼 수 있는 것과 달리, 이 장비는 두꺼운 조직 시료도 무리 없이 통과하여 내부 구조를 보여줍니다. 특히 시료를 다양한 각도로 기울여 촬영한 뒤 이를 컴퓨터로 재구성하는 3차원 이미징 기술은 세포 내부의 복잡한 연결망을 입체적으로 이해하는 데 도움을 줍니다. 이는 2차원 사진만으로는 얻을 수 없던 생명 현상의 입체적 정보를 제공하는 강력한 도구가 됩니다. 첨단 반도체 소자 분석에 활용되는 원자 분해능 주사 투과 전자현미경(Mono Cs-STEM)은 나노미터 단위의 초미세 공정을 정밀하게 진단합니다. 수차보정기를 통해 전자빔을 옹스트롬 단위로 가늘게 모아 시료를 스캔하며 원자의 배열을 포착하는 동시에, 단색기를 활용해 전자 에너지를 분석함으로써 원소의 성분과 화학적 상태까지 파악할 수 있습니다. 실제 반도체 칩 내부의 미세한 배선 간격이나 금속 성분 정보를 실시간으로 확인하는 이 기술은 우리 산업의 핵심인 반도체 기술력을 유지하는 데 필수적인 역할을 합니다. 기초과학의 진보는 첨단 연구 장비와 이를 능숙하게 다루는 연구자들의 전문성이 결합될 때 비로소 완성됩니다. 한국기초과학지원연구원(KBSI)에서 운용되는 다양한 전자현미경들은 금속 재료의 결함 분석부터 생체 분자의 구조 규명, 차세대 반도체 개발에 이르기까지 폭넓은 분야에서 인류의 지식 지평을 넓히고 있습니다. 보이지 않던 미지의 영역을 시각화하고 분석하는 이러한 노력은 단순한 관찰을 넘어 미래 과학 기술의 경쟁력을 확보하는 근간이 됩니다. 미세 구조 속의 비밀을 밝히는 여정은 계속될 것입니다.

한국기초과학지원연구원

물리학
생명과학
융합
공학·기술

[강연] 세포는 외부 신호를 어떻게 감지할까? _ by최희정 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 4강 | 4강

우리 세포는 외부 환경과 끊임없이 소통하며 생명을 유지합니다. 세포는 단순히 고립된 존재가 아니라, 외부에서 들어오는 다양한 화학 물질이나 물리적인 자극, 그리고 전기적인 신호를 감지하고 그에 적절한 반응을 나타내는 정교한 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 신호 감지는 나노미터 단위의 아주 미세한 수준에서 일어나며, 우리가 일상에서 마시는 커피 속 카페인이 각성 효과를 내는 과정 역시 세포가 특정 화학 물질을 인지하여 신호를 전달한 결과입니다. 세포는 외부 신호의 미세한 차이를 구별하여 서로 다른 반응을 이끌어냄으로써 생존에 필요한 항상성을 유지합니다. 세포가 외부 신호를 가장 먼저 맞닥뜨리는 곳은 세포의 경계면인 세포막입니다. 세포막은 물과 섞이지 않는 지질 성분으로 이루어진 이중 막 구조로, 세포 내부와 외부를 분리하는 성벽과 같은 역할을 합니다. 하지만 세포는 외부와 완전히 단절되어서는 안 되기에, 세포막에는 외부와 소통을 담당하는 막 단백질들이 존재합니다. 우리 몸 전체 단백질의 약 30%를 차지하는 이 막 단백질들은 외부 신호를 인지하여 내부로 전달하거나, 필요한 물질이 드나드는 통로 역할을 수행합니다. 이들은 세포가 외부 환경의 변화에 유연하게 대응할 수 있도록 돕는 핵심적인 매개체입니다. 막 단백질의 가장 중요한 소양은 신호 전달의 정확성입니다. 외부 신호가 없는데도 신호가 있는 것처럼 행동하거나, 꼭 필요한 신호를 놓치게 되면 세포의 정상적인 기능이 무너져 질병으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 성장 인자가 없는데도 수용체가 계속해서 증식 신호를 보내면 암이 발생할 수 있고, 인슐린 신호를 제대로 전달하지 못하면 당뇨병이 유발됩니다. 이처럼 세포막 단백질은 외부의 정보를 정확하게 읽어내어 세포 내부의 반응을 조절하는 막중한 임무를 띠고 있습니다. 따라서 이들의 구조와 기능을 이해하는 것은 생명 현상의 본질을 파악하고 질병을 치료하는 데 매우 중요합니다. 세포막을 통과하는 물질의 흐름을 조절하는 대표적인 단백질은 채널입니다. 세포막은 지질로 이루어져 있어 이온이나 친수성 분자가 마음대로 통과할 수 없지만, 특정 이온 채널은 소듐이나 포타슘 같은 이온을 선택적으로 투과시킵니다. 특히 포타슘 채널은 자신보다 크기가 작은 소듐 이온은 걸러내고 포타슘 이온만 정확하게 통과시키는 놀라운 정교함을 보여줍니다. 이는 단백질 내부의 아미노산들이 이온과 결합할 때 발생하는 에너지 차이를 이용한 것으로, 인간이 만든 어떤 기계보다도 효율적이고 정교한 필터 역할을 수행합니다. 이러한 선택적 투과는 세포의 전위차를 형성하여 신호 전달의 기초가 됩니다. 이온 채널은 외부 자극에 따라 문을 열고 닫으며 신호를 조절합니다. 전압 개폐성 채널은 세포막의 전위 변화를 감지하여 구조를 바꾸고, 리간드 개폐성 채널은 특정 화학 물질이 결합할 때 통로를 엽니다. 예를 들어 신경 전달 물질인 가바(GABA)가 수용체에 결합하면 단백질 구조가 뒤틀리며 이온이 통과할 수 있는 길이 열리게 됩니다. 또한 우리가 매운 고추를 먹었을 때 열감을 느끼는 것은 캡사이신 성분이 온도를 감지하는 이온 채널에 결합하여 전기적 신호를 발생시키기 때문입니다. 이처럼 단백질의 역동적인 구조 변화는 외부의 물리적, 화학적 자극을 생체 신호로 변환하는 핵심 기전입니다. 수용체 단백질 중 하나인 G단백질 연결 수용체(GPCR)는 우리 몸에서 가장 다양한 신호를 처리하는 패밀리입니다. 아드레날린, 도파민, 히스타민과 같은 호르몬이나 신경 전달 물질들이 이 수용체에 결합하면, 수용체의 구조가 변하면서 세포 내부의 G단백질과 상호작용하여 신호를 증폭시킵니다. 우리가 흔히 복용하는 약물의 상당수가 바로 이 GPCR을 타깃으로 하여 질병을 치료합니다. 카페인이 아데노신 수용체에 대신 결합하여 졸음을 막거나, 천식 치료제가 아드레날린 수용체를 활성화해 기관지를 확장하는 것이 대표적인 사례입니다. 수용체와 리간드의 특이적인 결합은 현대 의학의 중요한 기반이 됩니다. 눈으로 볼 수 없는 나노 세계의 단백질 구조를 밝혀내는 것은 현대 생명과학의 거대한 도전입니다. 과학자들은 X선 결정학을 통해 단백질 결정을 분석하거나, 극저온 전자 현미경(Cryo-EM)으로 단백질 분자를 급속 냉동하여 3차원 구조를 규명합니다. 이러한 구조 생물학적 연구를 통해 우리는 단백질이 어떻게 신호를 감지하고 움직이는지 원자 수준에서 이해할 수 있게 되었습니다. 규명된 구조 정보는 전 세계 과학자들과 공유되어 새로운 치료제 개발과 생명 현상의 비밀을 푸는 데 기여하고 있습니다. 보이지 않는 미세한 구조 속에 생명의 정교한 설계도가 담겨 있는 셈입니다.

최희정

카오스재단카오스강연

생명과학

코로나19 종식을 위한 필수 연구! 단백질 구조 분석

최근 전 세계를 휩쓴 바이러스의 확산은 우리가 누려온 평범한 일상이 얼마나 소중한지 다시금 깨닫게 해주었습니다. 신종 바이러스는 어느 날 갑자기 하늘에서 떨어지는 것이 아니라, 본래 동물을 숙주로 삼던 바이러스가 인간과 접촉하며 변이를 일으킨 결과입니다. 특히 무분별한 환경파괴와 지구온난화로 인해 동물들의 서식지가 이동하면서 인간과의 접촉면적이 넓어졌고, 이 과정에서 발생한 새로운 변이체들이 우리 인류를 위협하는 강력한 적으로 부상하게 된 것입니다. 신종 감염병에 맞서기 위해 가장 먼저 선행되어야 할 과제는 바이러스의 게놈을 파악하고 그 구성 성분을 분석하는 일입니다. 생명체의 핵심 분자인 단백질은 그 입체적인 모양에 따라 고유한 기능을 수행하기 때문에, 단백질의 구조를 정확히 규명하는 것은 생물학적 이해의 근간이 됩니다. 정밀한 구조 분석을 통해 바이러스의 특성을 파악해야만 비로소 질병을 효과적으로 억제할 수 있는 치료제나 백신 개발의 첫 단추를 성공적으로 끼울 수 있기 때문입니다. 바이러스는 스스로 증식할 수 없기에 반드시 숙주 세포 내부로 침투해야만 합니다. 감염의 시작은 바이러스 입자가 표적 세포를 인지하여 세포막에 결합하는 과정에서 이루어집니다. 예를 들어 코로나19 바이러스는 표면에 골프채 모양의 단백질을 가지고 있는데, 이것이 인체 세포의 수용체와 열쇠와 자물쇠처럼 결합하여 침투합니다. 따라서 이러한 단백질 간의 결합을 방해하거나 차단하는 기술을 확보하는 것이 감염병 확산을 근본적으로 막는 핵심적인 전략이 됩니다. 단백질의 3차원 구조를 원자 수준의 고해상도로 규명하기 위해 도입된 초저온 투과전자현미경 기술은 구조 생물학 분야에 혁명을 일으켰습니다. 이 기술은 단백질 시료를 수분이 포함된 자연상태 그대로 영하 196도에서 급속 동결시켜 관찰할 수 있다는 독보적인 장점이 있습니다. 한국기초과학지원연구원은 국내 최고 수준의 분석 시스템을 구축하여 컨트롤 타워 역할을 수행하고 있으며, 수만 개의 분자 영상을 전산처리로 재구성하여 정밀한 입체 구조를 밝혀내고 있습니다. 최근 연구팀은 그동안 분석이 까다롭기로 유명했던 세포막 단백질의 구조를 규명하며 신약 개발 연구에 큰 획을 그었습니다. 또한 코로나19 바이러스 스파이크 단백질에 결합하는 항체 후보 물질을 발굴하고, 단백질 간 상호작용 원리를 이해함으로써 진단키트와 백신 개발에 박차를 가하고 있습니다. 20에서 200 나노미터에 불과한 작은 바이러스가 인류의 삶을 흔들고 있지만, 바이러스가 진화하는 속도보다 더 빠르게 발전하는 과학 기술이 우리의 소중한 일상을 지켜낼 것입니다.

한국기초과학지원연구원

생명과학
융합
공학·기술