평면 위에서 임의의 점 2개를 상상해보자. 이 두 점 사이의 거리를 이등분하는 수직이등분선이 존재한다. 하나의 점을 더 생각해보자. 같은 방식으로 세 점 사이에는 세 개의 수직이등분선이 정의되며, 그 세 개의 선들은 하나의 교점을 만든다. 나아가, 점들이 더 늘어날 경우를 생각해보자. 가장 가까운 두 점을 수직이등분선 하는 선들이 모이며 도형을 이루는데, 이를 ‘보로노이 다이어그램’(Voronoi diagram)이라고 한다.(그림보기) 김덕수 교수(기계공학부)는 보로노이 다이어그램을 응용해 단백질의 3차원 구조를 예측하는 ‘베타에스시피웹’(이하 BetaSCPWeb) 프로그램을 개발했다.
보로노이 다이어그램 연구의 응용, BetaSCPWeb
우크라이나의 수학자 게오르기 보로노이(Voronoy)의 이름에서 따온 보로노이 다이어그램은 실생활에서도 쉽게 볼 수 있다. 예컨대, 잠자리의 날개무늬나 기린의 얼룩무늬, 베이징 올림픽 때 수영경기장으로 쓰인 워터 큐브 등이 그렇다. 보로노이 다이어그램은 공학, 건축학, 생물학 등 다양한 분야에서 활용된다. 김덕수 교수는 지난 30년간 줄곧 보로노이 다이어그램 관련 연구를 진행하면서 다양한 응용분야의 문제를 해결했다. 이번에 개발한 BetaSCPWeb 프로그램은 단백질의 3차원 분자구조를 예측하기 위해서 보로노이 다이어그램을 응용한 것이다. 김 교수는 지난 연구들에서 보로노이 다이어그램의 기본원리를 3차원 공간을 대상으로 확장했다. 즉, 평면상의 점이 아닌 ‘구’를 이용한 것. 구에 의해 형성된 3차원의 보로노이 다이어그램으로 단백질 구조를 원자들 수준에서 정확히 예측한다.
김 교수가 선보인 BetaSCPWeb은 쉽게 말해 단백질의 3차원 구조를 예측하는 일련의 계산과정을 ‘프로그램화’시킨 것이다. 우선 ‘베타(Beta)’는 보로노이 다이어그램을 한번 변형시킨 구조를 뜻하는 수학 용어 ‘베타 콤플렉스(Beta-complex)’에서 따왔다. SCP(Side Chain Prediction)는 단백질의 분자구조를 예측하기 위해서 반드시 수행해야 하는 ‘곁사슬의 최적 예측’을 뜻한다. 단백질 구조는 뼈대(Backbone)와 곁사슬(Side chain) 간의 결합으로 정의된다. 아미노산의 서열이 정해진 특정 단백질의 뼈대를 구성하는 원자들의 3차원 좌표가 주어져 있을 때, 아미노산 별로 곁사슬에 대한 최적의 위치를 계산하는 것이 SCP, 즉 곁사슬 최적 예측이다.
“BetaSCPWeb은 단백질 포텐셜 에너지(특정 상태의 물체가 가진 에너지)의 크기가 최소가 되도록 컴퓨터를 통해 정확하고 빠르게 예측하는 프로그램입니다.” 김 교수의 설명이다. “구조가 밝혀진 단백질의 데이터는 코드화 되어 PDB(Protein Data Bank)라는 데이터베이스에 보관돼 있어요. 단백질의 코드를 BetaSCPWeb 프로그램에 입력하면 보다 안정적인 3차원 구조를 컴퓨터로 계산해 최적 예측합니다.” 단백질의 최적구조가 계산되면, 아미노산들을 구성하는 원자들의 좌표값을 알 수 있다. 이를 통해 안정적인 단백질 구조를 설계할 수 있는 것. 이번 연구에는 단백질구조분야의 권위자인 류성언 교수(생명공학과)와 유럽생물정보학연구소(European Bioinformatics Institute 이하 EBI)의 Roman. A. Laskowski 박사가 동참해 정확한 계산에 힘을 보탰다.
바이오, 신약 분야 등 무궁무진한 활용 가능성 있어
BetaSCPWeb의 활용 분야는 무궁무진하다. 특히 바이오 분야나 신약 개발 분야에서의 활용 가능성을 높게 점친다. 단백질 구조를 파악하면 신체 기능에 최적화된 단백질 설계가 가능하기 때문. 정확한 사전 계산을 통해 비용과 시간을 절감할 수 있다는 장점도 있다. “자동차를 만들기 위해서, 과거에는 차량의 기초 설계를 해본 뒤 수작업으로 진흙모델을 다듬어 시뮬레이션을 하는 등 시간과 돈이 많이 들었어요. 하지만 요즘은 컴퓨터로 기초 설계를 하고, 시뮬레이션도 컴퓨터 프로그램을 통해 하죠.” 이처럼 단백질 설계 과정도 컴퓨터 프로그램을 이용해 시간을 크게 단축할 수 있다는 설명이다. “단백질 구조에서 DNA가 변형을 일으킨다고 봅시다. BetaSCPWeb을 통해 구조가 어떻게 변할지 예측할 수 있죠. 기준에 따라 다르지만 현재로썬 90%의 정확도를 보입니다.”
응용분야 융합연구 노린다
김 교수는 자신의 연구를 ‘분자기하학 (Molecular Geometry)’이라는 독립된 학문분야로 정립하려 한다. 보로노이 다이어그램에서 도출한 계산 체계를 원자배열과 관련된 모든 과학 분야에 적용할 수 있는 이론을 개발하고자 한다. 이에 따라 수학을 기반으로 한 이론을 개발하고, 이를 다양한 문제해결에 적용하는 응용 연구를 동시에 진행한다. 가깝게는 분자 결정 구조에 관한 정보처리를 빠르게 도와줄 기술을 찾고 있다. “현재는 분자 결정 구조 파악에 X선을 씁니다. 이것을 대체할 기술로 각광받은 것이 분자를 물에 넣고 얼린 후 전자현미경으로 정보를 추출하는 방식(CryoEM)이에요. 하지만 데이터가 너무나 방대하다는 어려움이 있죠.” 김 교수는 자신의 보로노이 다이어그램이론을 이용하여 전자현미경 데이터를 효율적으로 처리하는 문제를 EBI 연구자들과 공동으로 연구하고 있다.
김교수는 궁극적으로 분자기하학이론을 실현하는 소프트웨어로 ‘MGOS(Molecular Geometry Operation System 분자기하학 운영체제)’를 독자적인 기술로 개발해 보급하고자 노력한다. 이번에 개발한 BetaSCPWeb도 그 일환이다. 원하는 사람은 누구나 이용할 수 있도록 개방형 라이브러리를 제작했다. 또한, 미국 공군과 보로노이 다이어그램 기술을 활용한 연구를 앞두고 있다. 김 교수는 “완성도 높은 연구를 위해 언제나 최선을 다할 것”이라고 했다.
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