Combining AlphaFold 3 with microscale thermophoresis for aptamer optimisation

생물학의 미시 세계에서 과학자들은 종로종로 특정 자물쇠에 꼭 맞는 특정 열쇠를 찾아야 할 때가 많습니다. 때때로 그 열쇠는 세포가 만든 복잡한 기계인 단백질이며, 자물쇠는 질병을 일으키는 분자입니다. 또 다른 경우에는 역할이 바뀌어, 연구자들은 '압타머(aptamer)'라고 불리는 작은 유전 물질을 설계하여 열쇠 역할을 하게 합니다. 이 압타머들은 마치 맞춤 제작된 분자 갈고리처럼, 놀라운 정밀도로 표적을 붙잡도록 공학적으로 설계되었습니다. 일단 표적을 찾으면, 이들은 박테리아가 약으로부터 자신을 보호하기 위해 만드는 끈적한 막인 '바이오필름(biofilm)'을 형성하는 것과 같은 해로운 과정을 차단할 수 있습니다. 수년 동안 이 갈고리와 자물쇠가 정확히 어떻게 맞물리는지 알아내는 데는 비용이 많이 들고 느리며 어려운 실험이 필요했습니다. 최근에는 알파폴드 3(AlphaFold 3)라는 강력한 새로운 컴퓨터 프로그램이 등장하여, 마치 컴퓨터가 과학자들이 실험실에서 화학 물질을 섞기도 전에 해결책을 상상해 내는 것처럼, 이 3D 구조를 즉각적으로 예측할 수 있게 되었습니다.

하지만 컴퓨터의 예측은 그것이 묘사하려는 실제 현실만큼이나 정확해야 합니다. 최근 한 연구에서 연구진은 이 새로운 디지털 수정구슬이 정말로 번거롭고 물리적인 실험실 작업을 대체할 수 있는지 테스트하기 위해 실험을 진행했습니다. 그들은 치아에 바이오필름을 형성하는 흔한 박테리아인 Streptococcus mutans를 막기 위해 설계된 특정 압타머에 집중했습니다. 이 박테리아는 박테리아들이 서로 달라붙게 돕는 접착제 역할을 하는 GbpC라는 단백질을 생성합니다. 연구진은 이미 이 접착제를 차단할 수 있는 'A39'라는 이름의 유전적 열쇠를 찾아냈습니다. 하지만 그들은 이 열쇠가 단백질의 정확히 어느 지점에 닿는지, 혹은 두 분자가 어떻게 손을 잡는지 알지 못했습니다. 이를 해결하기 위해 그들은 컴퓨터를 사용하여 상호작용 모델을 구축한 다음, 이 디지털 가설이 실제 물리적 측정값과 일치하는지 확인하여 모델을 검증했습니다.

연구팀은 먼저 컴퓨터에 압타머와 단백질의 서열을 입력하는 것으로 시작했습니다. 알파폴드 3 소프트웨어는 두 분자가 어떻게 결합할 수 있는지 보여주는 3D 모델을 생성했습니다. 프로그램은 압타머가 전체 길이를 모두 사용하여 단백질에 결합하는 것이 아니라고 예측했습니다. 대신, 프로그램은 매우 짧고 특정한 유전 서열이 단백질의 홈 안쪽, 바로 옆에 있는 칼슘 이온 근처에서 단단한 움켜쥠을 형성한다고 예측했습니다. 이 디지털 청사진을 바탕으로 연구진은 다섯 가지 새로운 버전의 압타머를 설계했습니다. 연구진은 예측된 결합 부위만을 남긴 버전, 컴퓨터가 쓸모없다고 판단한 부분을 제거한 버전, 그리고 결합력이 유지되는지 확인하기 위해 구조를 변경한 다른 버전들을 만들었습니다. 그런 다음 이 새로운 설계안들을 컴퓨터 시뮬레이션에 돌려 프로그램이 자신의 예측에 대해 얼마나 확신하는지 확인했습니다. 컴퓨터는 특정 결합 서열이 존재할 때 높은 점수를 부여했는데, 이는 이 모델들이 작동할 가능성이 가장 높음을 시사했습니다.

다음으로, 연구진은 컴퓨터가 맞았는지 확인하기 위해 화면 앞을 떠나 실험대로 향했습니다. 그들은 실제 단백질과 실제 압타머를 액체 용액에 섞은 뒤, 미세 열영동(microscale thermophoresis)이라는 기술을 사용했습니다. 이 방법은 액체의 아주 작은 지점을 가열하는 방식인데, 압타머와 단백질이 서로 달라붙으면 열 속에서 움직이는 양상이 떨어져 있을 때와 다르게 나타납니다. 이 움직임을 관찰함으로써 과학자들은 분자들이 서로 얼마나 강하게 결합하는지를 정확히 측정할 수 있었습니다. 결과는 확인과 놀라움이 섞여 있었습니다. 컴퓨터는 특정 짧은 서열이 결합에 필수적이라는 것을 정확히 식별해 냈습니다. 연구진이 이 서열을 제거하자 압타머는 단백질에 전혀 달라붙지 못했습니다. 이는 컴퓨터가 상호작용이 일어나는 일반적인 위치를 포착할 수 있음을 확인시켜 주었습니다.

그러나 컴퓨터는 결합의 강도를 예측하는 데는 실패했습니다. 프로그램은 짧은 결합 서열만을 포함하는 버전의 압타머가 강하게 결합할 것이라고 제안했지만, 실제 실험에서는 전혀 결합하지 않았습니다. 반대로, 컴퓨터는 단축된 프라이머 영역(A39T)을 가진 버전도 여전히 결합할 것이라고 예측했으나, 실제 실험에서는 이 버전이 원래의 것보다 결합력이 현저히 약했습니다. 또한, 주요 결합 모티프가 없는 버전(A39CN)이 다른 서열을 통해 결합할 것이라고 예측했으나, 이 변이체는 실험실에서 측정 가능한 결합력을 전혀 보이지 않았습니다. 가장 결정적인 발견은 컴퓨터의 신뢰도 점수가 실제 결합 강도와 일치하지 않았다는 점이었습니다. 컴퓨터가 높은 신뢰도를 부여한 모델이 실제로는 약한 결합력을 보였던 반면, 낮은 신뢰도를 받은 모델이 실제로는 꽤 잘 결합하기도 했습니다. 연구진은 컴퓨터가 분자들이 어디서 만날지는 제안할 수 있지만, 얼마나 세게 붙잡을지는 말해주지 못한다는 사실을 발견했습니다.

이 연구는 분자 설계의 미래에 대한 중요한 교훈을 남깁니다. 알파폴드 3와 같은 도구들은 가설을 생성하고 과학자들을 분자의 올바른 영역으로 안내할 만큼 강력하지만, 아직 물리적인 테스트를 대체할 준비는 되어 있지 않습니다. 컴퓨터는 지도를 그릴 수는 있지만, 아직 그 지형이 얼마나 험난한지는 알려주지 못합니다. 연구진은 이러한 디지털 도구를 실험을 가이드하는 용도로 사용하되, 항상 실제 측정을 통해 결과를 검증해야 한다고 결론지었습니다. 실제 실험에서 얻은 더 많은 데이터가 이러한 시스템에 다시 입력됨에 따라 예측은 더욱 정확해질 수 있겠지만, 현재로서는 실험실의 벤치가 분자 열쇠가 실제로 자물쇠에 맞는지 결정하는 최종 판결자입니다.