바오밥에이바이오, 초저온전자현미경으로 31kDa 소형 단백질 구조 규명...

이론적 한계 38kDa 붕괴…약물 결합 구조까지 최초 규명

AI 신약 개발 판 뒤흔든 ‘cryo-EM 혁명’…Nature Communications에 게재

구조 기반 신약개발 패러다임 전환…AI-실험 융합 가속화

바보밥에이바이오 연구원들(사진=바오밥에이바이오)

[바이오타임즈] 바오밥에이바이오가 초저온전자현미경(cryo-EM)의 오랜 기술적 한계를 넘어서는 연구 성과를 내며 구조 기반 신약개발의 패러다임 전환 가능성을 제시했다.

회사는 최근 약 31kDa 수준의 소형 단백질-약물 결합 구조를 규명하는 데 성공했으며, 해당 연구는 국제학술지 Nature Communications에 게재됐다. 이는 약 30년간 유지돼 온 ‘cryo-EM 최소 분석 가능 크기(약 38kDa)’라는 이론적 한계를 처음으로 돌파한 사례로 평가된다.

이번 성과의 핵심은 단순한 구조 규명을 넘어 ‘약물이 단백질과 어떻게 결합하는지’를 원자 수준에서 확인했다는 점이다. 연구팀은 말토스 결합 단백질(약 41kDa)을 2.4Å 해상도로 분석한 데 이어, 항암 후보물질 온반서팁이 결합된 PLK1 kinase domain(약 31kDa)을 3.4Å 해상도로 규명했다. 기존에는 이 정도 크기의 단백질은 cryo-EM으로는 구조 파악이 어렵다고 여겨졌지만, 이번 연구를 통해 소형 단백질에서도 약물 결합 부위를 직접 관찰할 수 있는 길이 열렸다. 이는 신약 후보물질 설계 과정에서 결정적인 변화를 의미한다.

◇ 이론적 한계 38kDa 붕괴…약물 결합 구조까지 최초 규명

인공지능 기반 신약 개발에서 출발점은 ‘표적 단백질의 구조 이해’다. 질병은 특정 단백질의 이상 작용에서 비롯되는 경우가 많기 때문에 해당 단백질의 3차원 구조를 정확히 파악하는 것이 약물 설계의 핵심이다.

AI는 이 과정에서 두 가지 역할을 한다. 첫째, 아미노산 서열만으로 단백질의 입체 구조를 예측하는 모델(예: 딥러닝 기반 구조 예측)이 활용된다. 둘째, 실제 실험 데이터(cryo-EM, X-ray 등)와 결합해 구조를 정밀 보정하고, 약물이 결합할 수 있는 ‘포켓(binding site)’을 찾아낸다. 이후 AI는 수십만~수백만 개 화합물 중 최적의 결합 후보를 빠르게 선별한다.

문제는 ‘정확한 구조 데이터’다. AI가 아무리 발전해도 입력 데이터가 부정확하면 결과 역시 신뢰할 수 없다. 이 때문에 실제 단백질 구조를 고해상도로 규명하는 실험 기술이 AI 신약 개발의 성패를 좌우한다.

초저온전자현미경(cryo-EM)은 단백질을 급속 냉동시켜 자연 상태에 가까운 구조를 유지한 채 전자빔으로 이미지를 수집하고, 이를 수십만 장 이상 합성해 3차원 구조를 재구성하는 기술이다. 기존의 X-선 결정학과 달리 ‘결정화 과정’이 필요 없기 때문에 복합 단백질이나 유연한 구조 분석에 강점이 있다.

하지만 한계도 명확했다. 단백질이 작을수록 전자현미경에서 신호 대비 잡음비(SNR)가 급격히 떨어지면서 구조를 구분하기 어려웠다. 이 때문에 약 38kDa 이하 단백질은 사실상 분석이 불가능하다는 인식이 지배적이었다.

◇ 구조 기반 신약개발 패러다임 전환…AI-실험 융합 가속화

바오밥에이바이오의 이번 연구는 이 한계를 실질적으로 무너뜨렸다. 고도화된 이미지 처리 알고리즘, 샘플 준비 기술, 데이터 정제 방식 등을 결합해 기존 장비만으로도 소형 단백질 구조를 정밀하게 복원하는 데 성공했다. 특히 약물 결합 상태까지 확인했다는 점은 단순한 구조 분석을 넘어 ‘실제 약물 작용 메커니즘 해석’이 가능해졌음을 의미한다.

이는 신약 개발 과정에서 ▲기존에 접근이 어려웠던 소형 단백질 타깃 확대 ▲약물 결합 구조 기반의 정밀 설계 가능 ▲후보물질 최적화 속도 대폭 단축 ▲실패 확률 감소 및 개발 비용 절감 등의 변화를 불러올 수 있다.

결국 AI 기반 설계 → cryo-EM 검증 → 다시 AI 최적화로 이어지는 ‘구조 기반 신약 개발 루프’가 훨씬 빠르고 정밀하게 작동할 수 있게 된다.

바오밥에이바이오는 cryo-EM을 기반으로 한 구조 기반 신약 개발 플랫폼 기업이다. 자체적으로 최첨단 초저온전자현미경 시스템을 구축하고, 이를 활용해 단백질 구조 분석부터 약물 결합 메커니즘 규명까지 통합 서비스를 제공하고 있다.

최근 2년간 국내 제약·바이오 기업 8곳과 협력해 40개 이상의 타깃 단백질 구조를 고해상도로 규명했으며, 이는 단순 연구를 넘어 실제 신약 개발 파이프라인에 적용되는 성과로 이어지고 있다. 또한 영남대학교 연구팀과의 공동연구를 통해 학술적 성과와 산업적 활용 가능성을 동시에 입증했다.

특히 이번 연구가 Science 공식 블로그에서 주목받고, 최종적으로 Nature Communications에 게재되면서 기술력에 대한 글로벌 검증도 마쳤다.

이번 성과는 단순히 분석 기술의 진보를 넘어, 신약 개발의 ‘출발점’을 바꾸는 사건에 가깝다. 그동안 접근이 어려웠던 소형 단백질까지 정밀 분석이 가능해지면서, 질병 타깃의 범위 자체가 확대될 수 있기 때문이다.

AI가 설계하고 cryo-EM이 검증하는 구조 기반 신약 개발 시대에서, 바오밥에이바이오의 이번 성과는 기술적 한계를 넘어선 ‘현실적 돌파구’로 평가된다. 이는 글로벌 제약사들이 추구하는 차세대 신약 개발 방식과도 맞닿아 있으며, 향후 플랫폼 기술 기업으로서의 가치 상승 가능성도 주목되는 대목이다.