AI로 진화시킨 초소형 유전자 편집기, 희소 데이터 한계 극복하고 표적 효율 97% 달성
배경
질병을 근본적으로 치료하기 위한 유전자 교정 기술은 나날이 발전하고 있다. 1세대 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 편집기는 우수한 성능을 입증했으나 크기가 커서 인체 세포 내 전달에 한계가 있었다. 아데노부속바이러스(Adeno-Associated Virus, AAV) 벡터는 유전자 치료제의 대표적인 전달체로 꼽히지만 포장할 수 있는 유전자의 크기가 제한적이다. 이에 과학자들은 500개 아미노산 미만의 초소형 진핵생물 유전자 편집기인 팬저2(Fanzor2, Fz2)에 주목했다.
하지만 자연 상태의 Fz2는 인간 세포에서 작동하는 효율이 매우 낮았다. 치료에 적합한 수준으로 성능을 높이려면 단백질 구조를 대대적으로 개량해야 한다. 단백질 공학에서 인공지능(Artificial Intelligence, AI)은 돌연변이 효과를 예측하는 도구로 널리 쓰이기 시작했다. 문제는 Fz2처럼 새로 발견된 단백질 제품군은 참고할 만한 실험 데이터가 극도로 부족하다는 사실이다. 데이터가 부족한 환경에서 학습한 AI 모델은 예측의 신뢰도가 떨어지기 마련이다. 이에 따라 미지의 단백질을 효율적으로 개량할 수 있는 새로운 설계 기법이 지속적으로 요구됐다.
핵심 발견
연구진은 소량의 데이터만으로도 고성능 돌연변이 단백질을 선별할 수 있는 머신러닝 프레임워크 에보맥스(EvoMax)를 개발했다. 에보맥스는 가우시안 프로세스 회귀(Gaussian Process Regression, GPR)와 6억 5,000만 개의 매개변수를 지닌 단백질 언어 모델(Protein Language Model, PLM)인 ESM-2, 그리고 단백질 구조 역폴딩(Inverse Folding, IF) 모델인 ESM-IF를 유기적으로 결합한 알고리즘이다. 연구진은 유사한 단백질인 NlovFz2의 기존 돌연변이 데이터 209건을 수집해 모델 학습에 활용했다. 그 결과, 전이 학습을 마친 GPR 모델은 아미노산 치환에 따른 활성 변화를 R2값 0.693, 제곱평균제곱근오차(RMSE) 0.232 수준으로 정확히 예측해냈다.
연구진은 에보맥스를 활용하여 진핵생물 Naegleria lovaniensis 유래의 팬저2인 NaloFz2를 3단계에 걸쳐 최적화하는 과정을 거쳤다. 각 라운드마다 모델의 기여도를 정교하게 조절하여 탐색 범위를 유연하게 확장했다. 이와 동시에 편집 성능을 결정하는 핵심 요소인 가이드 오메가RNA(ωRNA)의 구조 개량도 함께 이뤄졌다. 불안정한 말단 루프 부위를 제거하고 염기쌍 결합력을 강화하여 기존 120개 염기서열을 92개로 줄인 개량형 오메가RNA(enωRNA v2)를 제작하는 데 성공을 거두었다. 또한 쉽게 분해되는 3' 말단 부위를 보호하고자 인간 La RNA 결합 단백질(Human La RNA-binding protein, hLa)을 단백질 C-말단에 연결했다.
최종 개발된 팬즈맥스 v3-hLa(FanzMAX v3-hLa)는 인간 세포 내 특정 유전자 표적에서 최대 97%의 이중가닥 절단(Double-Strand Break, DSB) 효율을 기록했다. 19개 표적 유전자 전체 평균으로도 33%의 편집 효율을 나타냈다. 이는 기존에 보고된 초소형 유전자 편집기인 enNlovFz2와 enCnCas12f1보다 2.6배 이상 뛰어난 성과다. 기존에는 활성이 거의 없던 M2, M3 등의 다른 Fz2 단백질 역시 에보맥스로 핵심 부위를 치환하자 편집 능력을 되찾았다.
의미와 전망
이번 연구는 데이터가 희소한 신종 단백질이라도 구조 정보와 AI 예측 모델을 결합하면 상업적 수준으로 빠르게 최적화할 수 있음을 보여준다. 단백질 언어 모델의 예측 능력과 물리적 구조 예측 모델이 상호 보완적으로 작동할 때 시너지 효과가 극대화된다는 점을 증명한 셈이다. 다양한 미지의 유전자 가위 후보 물질을 신속하게 개량하는 플랫폼 기술로 확장될 수 있어 의의가 깊다.
동물 실험에서도 실제 치료제로서의 적용 가능성을 확인했다. 인간화 마우스 모델에 human PCSK9 유전자를 표적하는 AAV 1.0 치료체를 투여한 결과, 간 내 표적 유전자의 25%가 편집됐으며 혈중 PCSK9 단백질 농도는 34% 감소했다. 다만 한계점도 명확히 드러났다. 활성이 더욱 강력한 AAV 2.0과 AAV 3.0 버전을 투여받은 마우스들은 면역 반응과 급성 독성 탓에 단기간에 폐사했다. 안전하고 효과적인 유전자 교정을 달성하려면 표적 효율을 높이는 기술 못지않게 체내 투여 용량을 정밀하게 조절하고 전달체의 안정성을 제어하는 후속 연구가 뒤따라야 한다.
Nature Biotechnology, Published online: 24 August 2026; doi:10.1038/s41587-026-03272-4Computational protein evolution with sparse data generates efficient small RNA-guided nucleases.
팬즈맥스 v3-hLa의 고효율 편집 성능은 향후 유전자 치료제 개발 공정의 패러다임을 바꿀 수 있다. 기존 Cas9 기반 유전자 가위는 단백질 크기가 너무 커서 단일 AAV 벡터에 실어 보내는 과정이 매우 까다로웠다. 포장 한계를 초과하여 두 개 바이러스 벡터에 나누어 태우는 방식을 사용해야만 했기에 생산 단가가 비싸고 효율도 저조했다. 반면 500개 아미노산 미만의 팬즈맥스는 가이드 RNA와 발현 조절 서열까지 포함해 단 한 개의 AAV 패키지 안에 완벽히 수용된다. 이는 고콜레스테롤혈증을 유발하는 PCSK9 유전자 억제나 근이완증(DMD) 치료처럼 간 및 근육 조직에 직접 유전자를 전달해야 하는 임상 시나리오에서 치료 효율을 비약적으로 제고하고 약가 부담을 경감할 핵심 기술로 작용할 전망이다.