코로나19 바이러스가 인체에 침입하는 데 첫 관문을 뚫기 위해 사용하는 단백질이 바이러스 표면에 붙어 있는 스파이크 단백질이다. 서울대학교 화학부 석차옥 교수팀은 미국 리하이 대학의 임원필 교수팀, 영국 케임브리지 대학의 트리스탄 크롤 박사와 함께 최초로 이 스파이크 단백질의 전체 삼차원 구조를 컴퓨터로 시뮬레이션하기 위한 발판을 마련하였다. 이번 연구결과를 바탕으로 하여 컴퓨터로 스파이크 단백질이 어떻게 인체에 침입하는지 가상실험을 할 수 있고, 이 단백질의 활동을 어떻게 억제할 수 있는지 가상으로 시뮬레이션하여 코로나19 치료제를 개발할 수 있는 현실적인 길이 열렸다. 이렇게 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 연구방법은 향후 치명적인 바이러스 변이가 일어났을 때 신속하게 대처할 수 있는 훌륭한 연구 도구이다.
기존에 극초저온 현미경으로 스파이크 단백질의 삼차원 구조를 밝혔으나, 그 구조는 여러 부분이 불완전하고, 단백질 표면에 있어야 할 당 분자는 일부만 있으며, 단백질이 뿌리를 내리고 있는 바이러스 외피 구조는 밝혀져 있지 않다. 서울대학교 우현욱, 박태용 연구원은 극초저온 현미경 구조에서 시작하여 스파이크 단백질 전체의 삼차원 구조를 예측하였다. 이 예측에는 서울대 화학부에서 자체 개발한 GALAXY 단백질 분자 모델링 프로그램이 사용되었다. 트리스탄 크롤 박사는 ISOLDE 프로그램으로 극초저온 현미경으로 얻은 전자밀도를 참고하여 구조를 정밀화하였고, 임원필 교수팀은 자체 개발한 CHARMM-GUI 웹서버를 사용하여 단백질 구조에 당 분자를 붙이고 바이러스 외피막의 구조를 만들었다. 당 분자와 바이러스 외피막을 포함한 스파이크 단백질의 전체 구조는 한국과학기술정보연구원 (KISTI)의 슈퍼컴퓨터 누리온에서 분자 시뮬레이션을 돌려 안정성을 확인하였다.
현재 누리온에서는 스파이크 단백질의 특성을 자세히 분석하기 위한 시뮬레이션이 계속 돌아가고 있으며, 이 시뮬레이션 연구가 끝나기 전에도 전 세계 과학자들이 바이러스 치료제 개발 및 백신 연구에 활용할 수 있도록 시뮬레이션에 사용된 초기 구조를 바이오 아카이브에 사전 공개하였다. 이 초기 구조 완성과 관련된 연구내용은 미국 물리화학 B 학술지에 심사 중이며, 그 중요성과 파급효과를 인정받아 표지논문으로 출판될 예정이다.
(바이오 아카이브 논문 주소: https://doi.org/10.1101/2020.05.20.103325)