23일 ‘2023 바이오 인천 글로벌 콘펙스’ 개최

차세대 마이크로바이옴 치료제 위한 ‘아바타 쥐’ 공개 

구글이 만든 단백질 구조 예측 인공지능(AI)인 ‘알파폴드’는 공개된 지 1년 만에 지구 생명체 100만 종이 만들어 내는 2억개의 단백질 3D 구조를 분석했다. 생명과학자들이 수십 년에 걸쳐 분석해야 할 정보를 짧은 시간에 얻어낸 것이다. 이처럼 알파폴드를 비롯해 로제타폴드, ESM폴드처럼 AI 기술을 활용해 단백질의 구조를 예측하는 기술이 발전하면서 신약 개발 등에 활용될 단백질 구조를 쉽게 찾을 수 있게 됐다. 최근에는 AI로 설계한 단백질을 이용한 표적항암제가 개발되면서 AI을 이용한 신약 개발 가능성이 점차 현실화하고 있다.

오병하 한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 교수는 23일 인천 송도컨벤시아에서 열린 ‘2023 바이오 인천 글로벌 콘펙스’에서 “최근 컴퓨터과학과 AI를 이용한 단백질 구조 설계를 이용한 신약 개발이 본격화되고 있다”며 “추후 항암제 시장에 큰 변화를 몰고 올 것”이라고 말했다.

단백질 구조 예측 AI 모델은 단백질 의약품 시장의 기대를 한 몸에 받고 있다. 10년 가량 걸리던 신약 후보 단백질 탐색 과정이 AI의 등장으로 수 주 만에 가능해진 덕이다. 개발 비용도 크게 감소했다. 한국제약바이오협회가 지난 7월 발표한 ‘글로벌 이슈 파노라마 4호’에 따르면 AI 신약 개발 시장은 지난해 6억980만달러(약 8000억원)에서 2027년 40억350만달러(약 5조2000억원)로 매년 45%의 고성장이 예상된다.

오 교수는 “AI를 이용해 암 세포에서만 발현되는 단백질인 ‘종양특이항원(TSA)’에 결합하는 항체를 만들어 항암 효과를 확인했다”며 “기존 방식보다 부작용 우려도 적고 항암 효능도 높은 것으로 나타났다”고 말했다.

암세포에서는 종양연관항원(TAA)과 종양특이항원 등 두 종류의 단백질이 특히 많이 만들어진다. 이들 단백질과 결합하는 항체를 이용하면 다른 세포에 영향을 최소화할 수 있는 ‘표적항암제’를 만들 수 있다. 다만 종양연관항원이 건강한 세포에서도 일부 만들어져 부작용의 우려가 크다. 종양특이항원은 암세포에서만 만들어지지만 사람마다 구조가 다른 경우도 많아 항암제로 사용할 항체를 개발하기 까다롭다는 문제가 있었다. 

단백질 구조 예측 AI는 이같은 문제를 해결할 수 있게 했다. 오 교수는 “200개 이상의 항체 결합 부위를 알파폴드로 분석해 구조를 추려냈다”며 “암세포 인식 능력이 우수한 항체를 개발해 면역세포인 T세포와 결합해 키메라 항원 수용체 T세포(CAR-T) 항암제를 개발했다”고 말했다. 연구진이 개발한 표적 항암제는 신경암 중 하나인 ‘신경모세포종’의 치료에 우수한 효과를 보였다.

오 교수는 “지금까지 이같이 개발된 항체는 총 13개에 달한다”며 “다시 2차 설계를 통해 미세 구조를 바꾸면 항암 효능도 크게 끌어 올릴 수 있을 것”이라고 말했다.

AI가 신약 개발 산업을 바꿀 것이라는 예측은 마이크로바이옴 치료제 분야에서도 나왔다. 마이크로바이옴은 인체에 공생하는 미생물을 의미하는데, 장내 세균을 이식하는 방식의 치료제가 장 질환 분야에서 주목받고 있다.

마이크로바이옴 치료제 개발 기업인 이뮤노바이옴를 창업한 임신혁 포스텍(포항공대) 생명과학과 교수는 이날 기조발표에서 “마이크로바이옴 치료제 연구는 활발히 이뤄지지만 실제 허가를 받은 사례는 2건에 그친다”며 “그 이유는 효능을 시험하는 생쥐와 실제 투약하는 사람의 마이크로바이옴이 다르기 때문”이라고 설명했다.

임 교수는 이런 문제를 ‘아바타 모델’로 해결했다. 인간의 마이크로바이옴을 가진 생쥐를 만들어 아바타처럼 활용하는 전략이다. 이를 위해서는 미생물이 만들어낸 물질이 생쥐와 인간에게 미치는 영향을 분석해야 하는데, AI를 적용해 분석 정확도를 크게 높인 것이다.

임 교수는 “생쥐 실험에서 확인한 마이크로바이옴 치료제 효과가 사람에서 재현되는 비율은 10%에 그친다”며 “AI를 적용한 생쥐 아바타를 활용했을 때는 사람과 거의 비슷한 효과를 보였다”고 말했다.

임 교수는 “생쥐의 면역 시스템을 없애 사람의 면역을 이식한 ‘인간화 면역 생쥐’ 모델도 개발했다”며 “AI를 결합해 마이크로바이옴 치료제 개발을 가속할 것”이라고 말했다. 이번 행사는 인천시와 대한무역투자진흥공사(코트라·KOTRA)가 공동 주최하고 한국생물공학회가 운영을 맡아 24일까지 개최된다. 행사 첫 날인 이날에는 국내외 바이오·제약 산업계와 연구자들이 최신 연구 성과와 산업계 동향을 소개했다.​

조선비즈, 이병철 기자​