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[2689호] 2021.12.27
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[과학 연구의 최전선]질병 유발 단백질 구조 규명한 김호민 교수의 꿈

대전= 최준석  선임기자 jschoi@chosun.com 2021-12-31 오전 9:40:40

photo 한준호 영상미디어 기자
로절린드 프랭클린이라는 1950년대 영국의 X선 결정학 연구자가 있었다. 그는 DNA(디옥시리보핵산) 이중나선 연구로 유명한 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭에게 자신의 연구를 도둑맞은 피해자로 유명하다. 왓슨과 크릭은 프랭클린이 X선으로 찍은 DNA 결정 이미지를 보고 DNA가 이중나선 구조라는 걸 떠올렸고 관련 논문을 써서 1962년 노벨생리의학상을 받았다. 지난 11월 11일 대전 IBS(기초과학연구원)에서 만난 김호민 단백질커뮤니케이션그룹 CI(Chief Investigator·바이오분자 및 세포구조 연구단)도 카이스트 생명과학과 박사과정 학생일 때 단백질 결정을 만들었다.
   
   김호민 교수는 카이스트를 다니면서 단백질결정학 기술을 익혔고 그걸로 단백질의 3차원 구조를 알아냈다. 단백질 구조생물학자라 할 수 있다. 그는 “사람의 몸안에는 단백질 2만종이 있다. 단백질이 질병 원인인 경우가 많다. 단백질이 망가지거나 특정 단백질이 과해서 병이 생긴다. 단백질 3차원 구조를 알아내면, 단백질의 분자적인 작동원리를 이해할 수 있고, 그러면 신약 개발로 이어질 수 있다”라고 설명했다.
   
   
   단백질 구조생물학자
   
   그는 카이스트 시절 단백질 결정을 만들면 그걸 들고 포항가속기연구소로 달려갔다. 두 달에 한 번은 갔다. 결정 샘플을 가속기 빔 라인에 연결된 장비에 올리고 X선을 쪼였다. 결정에 빈 구멍이 있으면 X선이 구멍을 감아 돌아가면서 ‘회절(deflection) 이미지’를 만든다. 회절 이미지를 보면 결정 구조를 알아낼 수 있다. 결정을 어떻게 만들까? 그것부터 궁금했다. 결정이라고 하면 단단한 물질이라는 이미지가 먼저 떠오른다.
   
   구조생물학자가 말하는 결정(crystal)은 단백질이 규칙적으로 배열되어 있는 구조를 말하는데 만들기가 쉽지 않다. 수소이온농도(Ph)와 집어넣는 소금 농도, 침전제, 알코올 등 조건이 몇천 개가 된다. 결정이 되는 조건을 찾는 과정이 오래 걸린다. 정해진 공식이 있는 게 아니어서 시행착오를 하면서 결정을 얻는다. 조건이 맞지 않아 자기들끼리 뭉쳐버리는 경우가 많다.
   
   그는 포항가속기연구소로 갈 때는 발걸음이 오히려 가벼웠다고 한다. 연구할 샘플을 손에 넣었기 때문이다. 당시 카이스트 지도교수는 두 사람이었다. 카이스트 생명과학과 유욱준 교수와 화학과 이지오 교수(현재는 포항공대 교수). 유욱준 교수에게 단백질결정학을 하고 싶다고 했더니, 화학과에 새로 온 이지오 교수에게 가서 배우라고 했다. 그래서 연구는 이지오 교수 랩에서 했고, 박사과정 비용은 유욱준 교수가 대는 식이 되었다. 포항공대에 있는 3세대 방사광가속기는 전자를 가속시켜 높은 에너지를 가진 X선을 만들어낼 수 있다. 이 X선을 빼내어 단백질 구조를 얻어내는 데 쓰는 것이다.
   
   3세대 방사광 가속 시 사용시간을 미리 신청하면 보통 24시간을 준다. 오전 9시에 작업을 시작하면 다음날 오전 9시까지 쉬지 않고 시설을 이용해야 한다. 서너 명이 같이 가서 작업하고 밤이 되면 누구는 자고 누구는 실험하는 식으로 24시간 꽉 차게 X선 이미지 얻는 작업을 한다. 다음 날 오전이 되면 빔 라인의 시설을 다음 예약자를 위해 비워줘야 하기 때문이다. 김 교수는 “요즘은 로봇 기술이 발달해 사람이 하던 일을 많이 대신하기 때문에 밤을 새우는 일은 많이 줄었다”라고 말했다. 전에는 사람이 일일이 샘플을 올린 후 X선이 결정의 한가운데를 때리도록 삐뚤어지지 않게 놓아야 했다. 또 결정을 360도 돌리면서 촬영했다. 가운데에 딱 잘 놓아야 좋은 이미지를 얻을 수 있기 때문이다. 똑같은 샘플을 100개 이상 만들어 가서 찍었다. 찍어보고 사진이 좋은지를 확인하고 안 좋으면 내리고 다른 샘플을 올려 찍는 식이었다. 요즘은 이게 다 자동화되어 로봇이 대신한다.
   
   
   단백질 결정을 얻기까지
   
   가령 단백질 결정이라고 하면 한 가지 단백질로만 된 거다. 한 가지 단백질만을 어떻게 얻어내는지 궁금하다. 김 교수에 따르면, 페트리 접시에 세포 배양을 해서 특정 단백질만 많이 만들어낸다. DNA를 합성해서 키우는 세포 안에 집어넣으면 된다. 가령 최근 연구 중 하나는 사람 신장에서 얻어낸 세포를 사용했다. 영양분을 주면 세포들이 원하는 단백질을 계속 만든다. 이후 세포를 깨서 세포 안에 있던 단백질을 확인한다. 실험자가 얻으려고 했던 단백질만을 95% 이상의 순도로 걸러낼 수 있다. 이걸로 결정을 만든다.
   
   김호민 교수의 면역단백질 연구가 2007년 ‘셀’에 나갔다. ‘셀’은 최상위 생물학 학술지다. 연구한 면역단백질 이름은 TLR4다. TLR은 ‘Toll-Like Receptor’라는 영어의 줄임말. TLR4는 면역세포인 수지상세포의 표면에 있는 표면단백질이다. 정확히 말하면 TLR4-MD2 단백질의 구조를 알아낸 게 연구 성과였다.
   
   셀에 논문으로 나간 연구를 시작한 건 2005년 여름 박사학위를 받고 카이스트에서 군 병역특례로 일하고 있을 때였다. 그는 2006년 이탈리아 시칠리아의 에리체에서 열린 단백질구조학회에 갔다. 그곳에서 초저온전자현미경(cryo-electron microscopy)을 처음 보았다. 배워서 한국에 소개해야겠다고 생각했다. 병역특례 기간이 끝나자 초저온전자현미경을 연구하는 미국 캘리포니아대학교 샌프란시스코캠퍼스(UCSF)의 이판 쳉(Yifan Cheng) 교수 실험실에 박사후연구원 자격으로 일하러 갔다. 김 교수는 “나는 현미경에는 문외한이었다. 쳉 교수가 뽑아줘서 고마웠다”라고 말했다. 2011년까지 4년간 초저온전자현미경을 배웠다. 김호민 교수는 “초저온전자현미경을 통한 단백질 구조 연구는 단백질결정학과는 완전히 다르다. 나는 단백질결정학과 초저온전자현미경을 통한 단백질 구조 두 가지를 할 수 있게 되었다”라고 말했다.
   
   단백질결정학은 1950년대 물리학자들이 개척한 오래된 분야이나 초저온전자현미경은 2010년 이후 급격히 발전했다. 개발자는 2017년에 노벨화학상을 받았는데 자크 두보셰, 요아킴 프랭크, 리처드 헨더슨 세 사람이다. 구조를 알고자 하는 한 가지 단백질을 추출하면 이걸 결정으로 만드는 대신 얼린다. 한 종류의 단백질 수백만 개를 액체질소에 집어넣어 얼린다. 얇은 얼음에 단백질들이 촘촘히 박혀 있다고 생각하면 된다. 그리고 그걸 현미경 안에 집어넣고 촬영한다. 영하 180도이니 단백질은 움직이지 않고 고정되어 있다. 이들은 모두 같은 구조이나, 놓인 모습에 따라 제각각 다른 각도로 사진에 찍힌다. 사진을 잘 보면 어떤 위치로 찍힌 것인지 알아볼 수 있다. 이미지 안에 다른 물질도 일부 있으니 단백질 이미지를 사람이 먼저 100~200개 골라낸다. 그러면 나머지 일은 컴퓨터가 알아서 한다. 사람이 골라낸 걸 보고 컴퓨터가 단백질만 골라서 단백질의 3차원 구조를 알아낸다. 컴퓨터 기술의 발달과 이미징 처리 알고리즘의 개발로 구조를 알아내는 분석이 가능해졌다. 작업은 몇 주 이상 걸린다. 김 교수는 “초저온전자현미경을 통한 단백질 구조 분석은 구조생물학 분야에 혁명적인 새 기술”이라고 평가했다.
   
   
   초저온전자현미경을 만나다
   
   그는 2011년부터 카이스트 의과학대학원 교수로 부임했다. 미국에서 초저온전자현미경을 연구했으나 한국에 오니 장비가 없다. 신임 교수에게 고가의 장비를 살 돈이 있을 리 없다. 그는 다시 단백질결정학 장비를 갖고 연구했다. 포항가속기연구소로 단백질 결정을 들고 또 다니기 시작했다. 처음 3~4년을 그렇게 다녔다.
   
   2017년 면역학 분야의 우수 저널인 ‘면역(Immunity)’에 논문을 냈다. 박사과정 때 연구한 면역세포 수용체 단백질인 TLR4 연구를 확대한 성과였다. 10년 전에는 TLR4 수용체의 3차원 구조를 밝힌 연구였다면, 이번에는 TLR4가 내독소(LPS)를 전달해주는 메커니즘을 규명해 냈다. 김호민 교수 설명을 들어본다.
   
   “그때 연구한 세균은 그람 음성균이다. 그람 음성균이 체내에 들어오면 LBP 단백질이 가서 그 세균의 막 일부, 즉 내독소를 떼어낸다. 세균의 막은 일부라도 몸에 해로울 수 있어 ‘내독소’라고 부른다. 세균 막에서 떼어낸 내독소를, LBP 단백질은 자신이 세균에 결합할 때 자신에게 와서 붙은 CD14 단백질에 건네준다. 그러면 CD14는 건네받은 ‘택배’ 물건을 다시 TLR4 수용체에 전달한다. 적군의 특징을 하나 물고 와서 나쁜 놈이 들어왔다고 알려주는 거다. TLR4는 비활성화 상태였으나 ‘내독소’라는 택배를 받는 순간 잠에서 깨어난다. 다른 TLR4와 결합하고 서로 엮인다. 이합체가 되면서 모양이 달라진다. 새로운 이합체는 M 자와 같이 생겼다. 비활성화 상태에서 활성화 상태가 되면 단백질 구조가 완전히 변한다. 그리고 TLR4는 자신이 결합해 있는 면역세포 내부로 신호를 보내 면역세포가 잠에서 깨어나게 한다. 면역세포는 침입한 세균을 공격해서 먹어 없앤다. TLR4 구조를 알아낼 때는 학창 시절이었고 결정학을 사용했다. 하지만 교수가 된 뒤에 규명한 TLR4 신호전달 경로 연구는 결정학이 아니라 전자현미경을 사용해서 수행했다.”
   
   한 가지 궁금하다. 김호민 교수는 왜 TLR4를 연구하게 되었을까? 김 교수는 “카이스트 때는 학생이었으니 지도교수님의 어젠다를 따라갔다. (카이스트 은사인) 이지오 교수님이 TLR 수용체 연구를 많이 하셨다”라며 TLR 관련 이야기를 들려줬다.
   
   
   면역단백질 TLR의 세계
   
   “감염에 아주 취약한 돌연변이 초파리가 있었다. 세균에 감염되면 금방 죽는다. 초파리가 갖고 있는 톨(Toll) 단백질이 잘못된 게 원인이라는 걸 알아낸 건 프랑스의 쥘 호프만(Jules Hoffmann)이다. 그러면 자연스러운 질문이 생긴다. 사람에도 쥐에도 톨 단백질이 있을까 하는 점이다. 톨과 같은 단백질이 있다는 걸 확인한다. 그리고 그 단백질에 ‘톨과 같은 수용체(Toll Like Receptor)’라는 이름을 붙였다. 그것의 줄임말이 TLR이다. 포유동물인 쥐에도 있다는 건 미국의 브루스 보이틀러(Bruce Beutler)가, 사람에도 같은 면역단백질이 있다는 건 미국의 찰스 제인웨이(Charles Janeway)가 알아냈다. 호프만과 보이틀러는 이 공로로 2011년 노벨생리의학상을 받았다. 제인웨이는 사망했기에 수상하지 못했다.”
   
   알고 보니 TLR의 ‘가족’이 많았다. TLR 가족은 모두 15개다. 김호민 박사과정 학생은 TLR4의 구조를 알아냈다. 이지오 교수 실험실에 같이 있었던 다른 학생들은 TLR1과 TLR2의 복합체, TLR2와 TLR6의 복합체 구조를 밝혔다. 김호민 교수는 “내가 구조를 알아낸 TLR4는 아까 말한 대로 내독소를 인식해 대식세포를 활성화시키는 것이고, 다른 TLR은 세균의 꼬리 부분인 섬모를 인식하기도 하고, 바이러스나 세균의 RNA를 인식하는 것도 있고 다양하다. 1997년 호프만의 발견 이후 과학자들이 달려들어 이뤄낸 성과다. 지금 한창 유행인 코로나19 바이러스가 우리 몸에 침입하면 이에 대항하기 위해 TLR를 활성화시켜 면역을 높인다”라고 말했다.
   
   김호민 교수는 TLR4를 갖고 면역증강제를 만드는 연구를 현재 진행하고 있다. 전통적인 면역증강제는 알루미늄 화합물이다. 이거 말고 차세대 면역증강제를 만드려는 시도가 많은데 그중 하나가 TLR4의 면역 활성화 기능을 이용하는 거다. TLR4는 ‘내독소’가 와서 결합하면 활성화하고 면역세포의 잠을 깨우는 일을 한다. 그러니 ‘내독소’와 비슷한 인공 화합물을 만들면 TLR4에게 일을 시킬 수 있다. B형 간염바이러스 (HBV) 백신, 인유두종 바이러스(HPV) 백신에 사용할 수 있는, TLR4를 이용한 면역증강제가 개발되어 있다. 그는 오스트리아 빈에 있는 그룹과 공동연구를 하고 있다. 빈 그룹이 세균막의 지질 성분과 비슷한 화합물을 만들어 보내왔고, 김호민 교수 그룹은 화합물과 TLR4가 어떻게 결합하는지 그 구조를 밝히는 일을 맡았다. 김호민 교수가 피드백을 오스트리아 그룹에 주면 더 좋은 화합물을 그쪽에서 새로 만들 수도 있다. 그러면 그걸 갖고 동물 대상으로 효능 실험을 해야 하고 최종 제품으로 내놓기까지는 많은 일을 해야 한다.
   
   
   구글 AI가 연구의 판을 흔들다
   
그가 연구한 두 번째 단백질은 신경단백질이다. 면역단백질 연구는 카이스트 박사과정 때부터 했다면, 신경단백질 연구는 교수가 된 뒤에 자폐를 연구하는 신경과학자와의 협업으로 했다. 카이스트 같은 랩에서 공부했던 DGIST(대구경북과학원) 고재원 교수, 그리고 김은준 IBS 시냅스뇌질환연구단장(카이스트 교수)과 협업했다. 자폐라는 질병을 이해하기 위해 단백질 구조를 밝혀달라고 김호민 교수에게 요청해온 것이다. 김호민 교수가 구조를 밝힌 건 신경단백질 중에서도 시냅스 단백질이다. 시냅스는 신경세포와 신경세포를 연결하는 부위를 가리킨다. 그가 구조를 알아낸 시냅스 단백질 연구는 2014년 학술지 네이처커뮤니케이션즈(LAR-RPTP/SLITRK 단백질), 2017년 학술지 뉴런(MDGA1/Neurdigin-2 단백질 복합체)에 보고됐다. 김 교수는 “2017년에는 연구 성과가 좋았다”라고 말했다. 뉴런은 신경과학 분야의 가장 좋은 학술지다.
   
   김호민 교수가 관심 갖고 있는 세 번째 단백질은 혈관단백질이다. 고규영 IBS 혈관연구단장과의 공동 연구로 혈관 단백질 만들기를 하고 있다. 혈관 단백질은 항암제로도, 패혈증 치료제로도 쓸 수 있을 것으로 기대한다. 고규영 단장이 연구해온 Tie2라는 혈관 생성을 활성화하는 단백질이 있다. 김호민 교수 연구의 핵심은 Tie2 수용체를 활성화시키는 물질을 만드는 것이었다. 인공으로 합성한 항체에는 hTAAB라는 이름을 붙였다. 이 항체가 Tie2 수용체의 어디에 결합하는지를 확인했다. 그리고 결합할 때 어떤 일이 일어나는지를 봤다.
   
   항체 5개가 Tie2 10개를 오각형 형태로 엮는다는 걸 확인했다. 김호민 교수가 이미지를 보여주는데 오각형 두 개가 선명하다. 작은 오각형은 Tie2 10개가 결합하면서 만든 것이고, 작은 오각형 밖에 큰 오각형이 하나 더 있다. 큰 오각형은 항체 5개가 변을 이뤄 만든 것이었다. 두 개의 오각형이 만든 오묘한 아름다움이 있었다. 이 연구 결과는 11월 초 학술지 네이처커뮤니케이션즈에 보고했다. 연구에는 4년 이상의 시간이 걸렸다. 항체 제작에 1년 이상, 구조를 밝히는 데 2년 반, 세포 실험을 하는 데 1년이 소요됐다고 했다. 고통스러운 작업이 아닐 수 없다.
   
   단백질 구조 연구 분야는 지금 구글의 알파폴드로 인해 판이 흔들리고 있다. 알파폴드는 단백질 구조를 예측하는 인공지능(AI)이다. 사람을 뛰어넘는 구조 예측 결과를 수년 전부터 내놓고 있다. 사람이 직업을 잃게 생겼다는 우려가 나오고 있다. 알파폴드는 지난 8월에 논문을 내고 자신들이 개발한 프로그램을 공개했다. 알파폴드의 프로그램을 받아서 컴퓨터에 깔았고 단백질 구조를 밝히는 데 쓰고 있다. 알파폴드를 이용한 사람들의 논문이 최근에 계속해서 올라오고 있다. 김 교수는 “알파폴드로 인해 계산구조생물학(Computational Structure Biology)을 하는 사람이 많아질 것 같다. 그리고 새로운 직업군인 단백질 디자이너가 수년 후면 나올 것 같다. 나는 인공 단백질을 합성하는 단백질 디자인 일을 앞으로 해보고 싶다”라고 말했다.
   
   김 교수에 따르면, 합성 단백질은 활용가치가 무궁무진하다. 플라스틱을 분해하는 단백질, 석유를 생산하는 단백질도 있을 수 있다는 것이다. 김 교수는 “나는 10년 주기로 새로운 일을 해왔다. 결정학 연구, 초저온전자현미경 연구를 그런 식으로 해왔는데, 이제 새로운 연구에 도전할 때라고 본다”라고 말했다.
   
   IBS 사무실에서 얘기를 마치고 1층으로 같이 내려갔다. 그는 2018년 11월 IBS 단백질커뮤니케이션그룹 CI가 되었고, 이후 초저온전자현미경 두 세트를 구축했다. 두 장비가 있는 방문 앞에는 각각 ‘300kV초저온바이오투과전자현미경실’ ‘200kV초저온바이오투과전자현미경실’이라고 쓰여 있다. 수십억원씩 하는 장비를 갖고 한국 과학자도 연구를 할 수 있게 되었다는 게 기분 좋았다.
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응답하라! 2030 정장열 편집장

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