AI는 이제 생물학적 '트랜지스터'처럼 행동하는 단백질을 설계할 수 있습니다.

우리는 종종 단백질을 불변의 3D 조각품으로 생각합니다.

그것은 옳지 않습니다. 많은 단백질은 생물학적 필요에 따라 모양을 비틀고 변화시키는 변환기입니다. 한 가지 구성은 뇌졸중이나 심장마비로 인한 손상 신호를 전파할 수 있습니다. 또 다른 방법은 결과적인 분자 폭포를 차단하고 피해를 제한할 수 있습니다.

어떤 면에서 단백질은 생물학적 트랜지스터처럼 작동합니다. 즉, 외부 및 내부 힘과 피드백에 반응하는 방식을 결정하는 신체 분자 "컴퓨터"의 뿌리에 있는 온-오프 스위치입니다. 과학자들은 우리 몸이 어떻게 기능하는지 해독하기 위해 이러한 형태를 바꾸는 단백질을 오랫동안 연구해 왔습니다.

그런데 왜 자연에만 의존합니까? 생물학적 우주에 알려지지 않은 생물학적 "트랜지스터"를 처음부터 만들 수 있습니까?

AI를 입력하세요. 다양한 딥러닝 방법을 사용하면 이미 단백질 구조를 정확하게 예측할 수 있습니다. 이는 반세기에 걸친 획기적인 발전입니다. 점점 더 강력해지는 알고리즘을 사용한 후속 연구에서는 진화의 힘에 묶이지 않은 단백질 구조가 환각에 빠졌습니다.

그러나 이러한 AI 생성 구조에는 단점이 있습니다. 매우 복잡하기는 하지만 대부분은 완전히 정적입니다. 본질적으로 시간이 멈춰 있는 일종의 디지털 단백질 조각품입니다.

이번 달 사이언스(Science)의 새로운 연구는 디자이너 단백질에 유연성을 추가하여 틀을 깨뜨렸습니다. 새로운 구조는 한계가 없는 곡예사가 아닙니다. 그러나 디자이너 단백질은 외부 생물학적 "잠금 장치"에 따라 두 가지 다른 형태(개방형 또는 폐쇄형 힌지)로 안정화될 수 있습니다. 각 상태는 컴퓨터의 "0" 또는 "1"과 유사하며 이후에 셀의 출력을 제어합니다.

"이전에는 하나의 안정적인 구성을 가진 단백질만 만들 수 있었습니다."라고 워싱턴 대학의 연구 저자인 Florian Praetorius 박사는 말했습니다. "이제 우리는 마침내 움직이는 단백질을 만들 수 있게 되었으며, 이는 특별한 응용 범위를 열어줄 것입니다."

수석 저자인 David Baker 박사는 다음과 같은 아이디어를 가지고 있습니다. "환경의 화학 물질에 반응하는 나노 구조 형성부터 약물 전달 응용에 이르기까지 우리는 이제 막 잠재력을 활용하기 시작했습니다."

간단한 생물학 101.

단백질은 우리 몸을 만들고 운영합니다. 이 거대분자는 DNA로부터 여행을 시작합니다. 유전 정보는 단백질의 구성 요소인 아미노산(끈에 달린 그림 구슬)으로 변환됩니다. 그런 다음 각 끈을 복잡한 3D 모양으로 접고 일부 부분은 다른 부분에 달라붙습니다. 2차 구조라고 불리는 일부 구성은 Twizzler와 유사합니다. 다른 것들은 카펫 같은 시트로 짜여져 있습니다. 이러한 모양은 서로 더욱 발전하여 매우 정교한 단백질 구조를 형성합니다.

단백질의 형태를 이해함으로써 우리는 잠재적으로 처음부터 새로운 단백질을 설계하여 생물학적 세계를 확장하고 바이러스 감염 및 기타 질병에 대한 새로운 무기를 만들 수 있습니다.

2020년에 DeepMind의 AlphaFold와 David Baker 연구소의 RoseTTAFold는 아미노산 서열만을 기반으로 단백질 구조를 정확하게 예측하여 구조 생물학 인터넷을 깨뜨렸습니다.

그 이후로 AI 모델은 과학에 알려지거나 알려지지 않은 거의 모든 단백질의 모양을 예측해 왔습니다. 이러한 강력한 도구는 이미 생물학 연구를 재편하고 있으며, 과학자들이 항생제 내성과 싸우고, DNA의 "주거"를 연구하고, 새로운 백신을 개발하거나, 심지어 파킨슨병과 같이 뇌를 파괴하는 질병을 밝혀내기 위한 잠재적인 표적을 신속하게 찾아내는 데 도움을 주고 있습니다.

그러다가 폭탄이 터졌습니다. DALL-E 및 ChatGPT와 같은 생성 AI 모델이 감질나는 전망을 제시했습니다. 단순히 단백질 구조를 예측하는 것이 아니라 AI가 완전히 새로운 단백질 구조를 꿈꿔보는 것은 어떨까요? 칼슘 수치를 조절하기 위해 호르몬을 결합하는 단백질부터 생물발광을 촉매하는 인공 효소에 이르기까지 초기 결과는 열광을 불러일으켰고 AI가 설계한 단백질의 잠재력은 무한해 보였습니다.

이러한 발견의 중심에는 Baker의 연구실이 있습니다. RoseTTAFold를 출시한 직후, 그들은 다른 단백질, 약물 또는 항체와 상호 작용하는 단백질의 기능적 부위를 고정하는 알고리즘을 추가로 개발하여 과학자들이 아직 상상하지 못한 새로운 약물을 꿈꿀 수 있는 길을 열었습니다.