성균관대, 정밀 유전자가위 기술로 차세대 유전자 치료 길 열어

▲(윗줄 왼쪽부터) 성균관대 의과대학 황혜연 연구교수, 마리아 박사과정생, 박재현 교수, (아랫줄 왼쪽부터) 울산대 의과대학 권지연 연구교수, 김용섭 교수, 성균관대 의과대학 김대식 교수. 사진=성균관대

성균관대학교와 울산대학교 공동 연구팀이 기존 인공지능(AI) 기반 유전자가위 기술에 단백질 공학기술을 더해 기존보다 유전자 교정 효율을 최대 36배 끌어올린 정밀 유전자가위 기술을 개발했다.

성균관대는 의학과 김대식 교수 연구팀이 울산대 의대 김용섭 교수, 성균관대 의대 박재현 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 AI가 설계한 염기교정 유전자가위를 단백질 공학기술로 정밀하게 개량해 유전자 교정 효율을 기존보다 최대 36배까지 끌어올린 '오픈ABE(OpenABE)' 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 기존 유전자가위 기술을 더욱 정밀하게 개선해 그동안 치료가 어려웠던 다양한 유전 질환을 안전하게 치료할 수 있는 새로운 발판을 마련했다는 점에서 의미가 있다.

유전자가위 기술이란 세포 내 유전체(DNA)의 특정 염기서열을 마치 가위처럼 잘라내 문제 유전자를 무력화하거나 정상 유전자로 바꾸는 유전자 편집기술을 말한다.

최근에는 이미 상용화된 '크리스퍼(CRISPR)' 유전자가위 기술보다 한 단계 진화한 '염기교정' 유전자가위 기술이 활발히 개발되고 있다. 염기교정 유전자가위 기술은 DNA의 이중나선 가닥을 가위처럼 완전히 자르는 기존 방식에서 벗어나 DNA 염기서열 내 특정 염기만을 바꿔 DNA 결손 등 부작용을 최소화한 차세대 유전자가위 기술이다.

이 중 '아데닌 염기교정(ABE)' 유전자가위 기술은 DNA 염기 중 아데닌(A)을 구아닌(G)로 정확하게 교체하는 유전자가위 기술이다. 최근에는 AI를 활용해 염기교정 유전자가위를 디자인하는 연구가 주목받아 왔지만 AI가 만든 초기 모델들은 유전자를 교정하는 효율이 많이 떨어지고 목표로 삼은 염기 외에 엉뚱한 염기까지 바꿔버리는 '오작동'이 자주 발생해 실제 환자 치료에 쓰기에는 안전성이 부족하다는 한계가 있었다.

김대식 교수 공동 연구팀은 단백질 구조예측 AI '알파폴드'를 활용해 염기교정 유전자가위의 입체 구조를 마치 3D 지도를 보듯 정밀하게 분석했고, 이를 통해 유전자가위가 타깃 DNA를 단단하게 붙잡을 수 있도록 도와주는 핵심 부위를 찾아냈다. 연구팀은 이 부위에 맞춤형 돌연변이를 도입하고 기존에 가장 뛰어난 성능을 가졌던 유전자가위의 특수한 꼬리 구조를 이어 붙이는 등 단백질 공학기술을 적용해 정밀한 구조 개량 작업을 진행했다.

이 과정을 거쳐 탄생한 차세대 아데닌 염기교정 유전자가위 '오픈ABE 1.1'과 '오픈ABE 1.2'는 기존 인공지능 유전자가위와 비교해 교정 능력이 최소 16배에서 최대 36배까지 강력해졌다. 이는 현재 전 세계 연구실에서 표준으로 사용되는 가장 완벽한 유전자가위 'ABE8e'와 어깨를 나란히 하는 수준이다. 그러면서도 주변 유전자 오작동 현상을 획기적으로 낮춰 타깃 유전자만 깨끗하게 고치는 높은 정확도를 달성했다.

김대식 교수는 “이번 연구는 인공지능이 설계한 초기 유전자가위의 한계를 인간 과학자의 단백질공학 기술로 극복해 낸 대표적인 혁신 사례"라며 “향후 유전질환 치료제 개발을 크게 앞당길 것으로 기대한다"고 말했다. 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 유전학 및 분자생물학 국제 학술지인 'Nucleic Acids Research'와 'Genome Medicine'에 각각 게재됐다.

백솔미 기자 bsm@ekn.kr