5 challenges we could solve by designing new proteins | David Baker

번역: Soomin Ha 검토: Soobin Ahn

I'm going to tell you about the most amazing machines in the world

세상에서 가장 놀라운 기계들을 소개해드리려고 합니다.

and what we can now do with them.

그것으로 무엇을 할 수 있는지도요.

Proteins,

단백질은

some of which you see inside a cell here,

이처럼 세포 안에 존재하며

carry out essentially all the important functions in our bodies.

우리 몸의 모든 중요한 기능을 담당합니다.

Proteins digest your food,

단백질은 음식을 소화시키고,

contract your muscles,

근육을 수축시키고,

fire your neurons

신경세포를 자극하며,

and power your immune system.

면역체계를 더욱 공고히 합니다.

Everything that happens in biology --

생명체에게 일어나는 모든 일은

almost --

거의 대부분 단백질 때문에 발생합니다.

happens because of proteins.

Proteins are linear chains of building blocks called amino acids.

단백질은 아미노산이라는 요소로 만들어진 길다란 띠 모양입니다.

Nature uses an alphabet of 20 amino acids,

자연계엔 알파벳으로 구분되는 20개의 아미노산이 있습니다.

some of which have names you may have heard of.

그 중엔 여러분이 들어본 아미노산도 있을겁니다.

In this picture, for scale, each bump is an atom.

이 사진에서 한 알갱이는 하나의 원자를 뜻합니다.

Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules

정리되지 않은 긴 단백질 띠는 아미노산 사이의 화학적 힘에 의해

to fold up into unique, three-dimensional structures.

독특한 3차원 구조로 접힙니다.

The folding process,

이 접힘 과정은

while it looks random,

불규칙해 보이지만,

is in fact very precise.

사실 굉장히 정교합니다.

Each protein folds to its characteristic shape each time,

각 단백질은 특정한 구조로 접히고,

and the folding process takes just a fraction of a second.

이 접힘 과정은 몇 분의 일 초만에 일어납니다.

And it's the shapes of proteins

그리고 단백질은 이러한 구조 덕분에

which enable them to carry out their remarkable biological functions.

놀라운 생물학적 기능들을 수행할 수 있습니다.

For example,

예를 들어,

hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited

폐 안에서 헤모글로빈의 구조는

산소 분자와 결합하기에 가장 좋은 형태가 됩니다.

for binding a molecule of oxygen.

When hemoglobin moves to your muscle,

이 헤모글로빈이 근육으로 이동하면

the shape changes slightly

단백질 구조가 약간 바뀌어

and the oxygen comes out.

산소 분자가 방출됩니다.

The shapes of proteins,

단백질의 구조와

and hence their remarkable functions,

그에 따른 놀라운 기능은

are completely specified by the sequence of amino acids in the protein chain.

단백질 띠를 이루는 아미노산의 순서에 의해 결정됩니다.

In this picture, each letter on top is an amino acid.

이 그림 속 각각의 알파벳은 하나의 아미노산을 뜻합니다.

Where do these sequences come from?

그 배열 순서는 어떻게 정해질까요?

The genes in your genome specify the amino acid sequences

바로 여러분의 게놈 속 유전자가

단백질을 만드는 아미노산의 배열 순서를결정합니다.

of your proteins.

Each gene encodes the amino acid sequence of a single protein.

하나의 유전자는 한 단백질의 아미노산 순서를 부호화시킵니다.

The translation between these amino acid sequences

이러한 아미노산의 순서와

and the structures and functions of proteins

단백질의 구조 및 기능 간의 관계가

is known as the protein folding problem.

'단백질 접힘 문제' 입니다.

It's a very hard problem

이는 굉장히 복잡한 문제입니다.

because there's so many different shapes a protein can adopt.

한 단백질이 가질 수 있는 구조는 수없이 많기 때문이죠.

Because of this complexity,

이러한 복잡성 때문에

humans have only been able to harness the power of proteins

인간은 자연에서 찾은 단백질의 아미노산 순서에

by making very small changes to the amino acid sequences

아주 작은 변화를 일으켜

단백질이 가진 능력의 일부분만 이용할 수 있었습니다.

of the proteins we've found in nature.

This is similar to the process that our Stone Age ancestors used

그것은 마치 우리의 석기시대 조상들이

to make tools and other implements from the sticks and stones

주변에서 찾은 막대와 돌을 사용해 도구를 만든 과정과 비슷합니다.

that we found in the world around us.

But humans did not learn to fly by modifying birds.

그러나 인간은 새를 변형시켜가며 하늘을 나는 법을 찾아내진 않았죠.

(Laughter)

(웃음)

Instead, scientists, inspired by birds, uncovered the principles of aerodynamics.

대신, 과학자들은 새에서 아이디어를 얻어

공기역학의 원리를 발견해냈죠.

Engineers then used those principles to design custom flying machines.

엔지니어들이 그 원리를 이용해 인간을 위한 비행 장치를 만들어냈고요.

In a similar way,

이런 식으로,

we've been working for a number of years

우리는 수년간의 연구를 통해

to uncover the fundamental principles of protein folding

단백질 접힘의 근본적 원리를 찾아내고,

and encoding those principles in the computer program called Rosetta.

로제타라는 컴퓨터 프로그램으로 그 원리를 프로그램화했습니다.

We made a breakthrough in recent years.

우리는 최근 큰 발전을 이뤄냈습니다.

We can now design completely new proteins from scratch on the computer.

완전히 새로운 단백질을 컴퓨터로 만들 수 있게 된 것이죠.

Once we've designed the new protein,

새로운 단백질을 디자인하고

we encode its amino acid sequence in a synthetic gene.

합성 유전자의 아미노산 배열 순서를 만들면 됩니다.

We have to make a synthetic gene

합성 유전자를 만들어야 하는 이유는

because since the protein is completely new,

만들어진 단백질이 완전히 새로운 것이다 보니,

there's no gene in any organism on earth which currently exists that encodes it.

지구상에 있는 어떤 생물의 유전자도 이 단백질를 만들지 못하기 때문입니다.

Our advances in understanding protein folding

단백질 접힘 문제와 단백질 디자인 방법에 대한

and how to design proteins,

우리들의 이해가 발전함으로써,

coupled with the decreasing cost of gene synthesis

단백질 합성에 드는 비용을 줄일 수 있었습니다.

and the Moore's law increase in computing power,

또한 무어의 법칙에 따라 발전하는 컴퓨터 기능 덕분에

now enable us to design tens of thousands of new proteins,

여러 모양과 기능을 가진 수백, 수천 종류의 단백질을

with new shapes and new functions,

on the computer,

컴퓨터로 디자인하고,

and encode each one of those in a synthetic gene.

각각의 단백질을 합성 유전자에 부호화할 수 있게 되었습니다.

Once we have those synthetic genes,

이러한 합성 유전자가 만들어지면,

we put them into bacteria

그것을 박테리아에 주입하여

to program them to make these brand-new proteins.

새로운 단백질을 만들어 내도록 프로그래밍합니다.

We then extract the proteins

이후에 박테리아에서 단백질을 추출하여

and determine whether they function as we designed them to

우리가 계획한대로 단백질이 기능하고 있는지,

and whether they're safe.

안전한지 결론을 짓습니다.

It's exciting to be able to make new proteins,

새로운 단백질을 만드는 건 매우 흥미로운 일입니다.

because despite the diversity in nature,

왜냐하면, 자연의 다양성에도 불구하고

evolution has only sampled a tiny fraction of the total number of proteins possible.

생물의 진화는 가능한 단백질 종류 중 극히 일부만 만들었기 때문입니다.

I told you that nature uses an alphabet of 20 amino acids,

자연은 20개의 알파벳으로 구분되는 아미노산만 사용한다고 말씀드렸는데요.

and a typical protein is a chain of about 100 amino acids,

또한 대부분의 단백질 띠에는 100개의 아미노산이 있다고도 말씀드렸죠.

so the total number of possibilities is 20 times 20 times 20, 100 times,

그러면 가능한 모든 경우의 수는

20 곱하기 20 곱하기 20.. 그렇게 100번 반복되므로

which is a number on the order of 10 to the 130th power,

총 가짓수의 숫자 단위가 10의 130승이 됩니다.

which is enormously more than the total number of proteins

이는 지구상에 생물이 생긴 이래로 지금껏 만들어진 총 단백질 수보다

which have existed since life on earth began.

훨씬 많은 숫자입니다.

And it's this unimaginably large space

그 상상할 수 없이 큰 공간을

we can now explore using computational protein design.

이제 컴퓨터로 단백질을 디자인하여 탐험할 수 있게 된 것입니다.

Now the proteins that exist on earth

이제, 지구상에 존재하는 단백질은

evolved to solve the problems faced by natural evolution.

자연적 진화가 맞닥뜨린 문제를 해결할 수 있도록 발전되었습니다.

For example, replicating the genome.

예를 들어, 게놈 복제가 있습니다.

But we face new challenges today.

그러나 최근, 우리는 새 어려움과 맞닥뜨렸습니다.

We live longer, so new diseases are important.

인간은 전보다 오래 살게 되었고, 새로운 질병이 중시됩니다.

We're heating up and polluting the planet,

우리는 지구의 온도를 올리고, 오염시켜

so we face a whole host of ecological challenges.

수많은 환경적 어려움과 대면해 있습니다.

If we had a million years to wait,

우리가 수백만 년을 기다릴 수 있다면

new proteins might evolve to solve those challenges.

이 어려움들을 해결하기 위한 새 단백질이 진화할지도 모릅니다.

But we don't have millions of years to wait.

그러나 수백만 년을 기다릴 순 없죠.

Instead, with computational protein design,

대신에 컴퓨터로 단백질을 디자인함으로써

we can design new proteins to address these challenges today.

오늘날의 어려움들을 해결하기 위한 단백질을 새로 만들어 낼 수 있습니다.

Our audacious idea is to bring biology out of the Stone Age

저희의 대담한 아이디어는

생물학을 석기시대에서 벗어나게 하는 것입니다.

through technological revolution in protein design.

단백질 디자인라는 기술 혁명을 통해서요.

We've already shown that we can design new proteins

저희가 새로운 모양과 기능의 단백질을 디자인할 수 있다는 건

with new shapes and functions.

이미 증명해 보였죠.

For example, vaccines work by stimulating your immune system

예를 들어, 백신은 면역체계를 자극시켜

to make a strong response against a pathogen.

우리가 병원균에 맞서 더욱 강력하게 대응하도록 합니다.

To make better vaccines,

우린 더 좋은 백신을 만들기 위해

we've designed protein particles

새로운 단백질 분자를 디자인하여

to which we can fuse proteins from pathogens,

병원균의 단백질이 융합될 수 있도록 했습니다.

like this blue protein here, from the respiratory virus RSV.

여기 파란색의 호흡기 바이러스 RSV의 단백질처럼 말이죠.

To make vaccine candidates

대체 백신을 만드는 작업은

that are literally bristling with the viral protein,

그야말로 바이러스 단백질로 가득 채우는 것입니다.

we find that such vaccine candidates

밝혀진 바에 따르면

이러한 대체 백신은 이전에 실험된 그 어떤 백신보다

produce a much stronger immune response to the virus

than any previous vaccines that have been tested.

바이러스균에 매우 강력한 면역 반응을 보였습니다.

This is important because RSV is currently one of the leading causes

우리의 발견은 중요합니다.

현재 전 세계적으로 RSV가 영유아 사망의 주원인이기 때문이죠.

of infant mortality worldwide.

We've also designed new proteins to break down gluten in your stomach

또한 우리는 만성소화장애를 위해

위 안의 글루텐을 분해하는 새로운 단백질을 디자인했습니다.

for celiac disease

and other proteins to stimulate your immune system to fight cancer.

또 어떤 단백질은 면역체계를 자극하여 암과 싸우도록 만들기도 합니다.

These advances are the beginning of the protein design revolution.

이러한 발전은 그저 단백질 디자인 혁명의 시작일 뿐입니다.

We've been inspired by a previous technological revolution:

우리는 과거의 기술적 혁명에 고무되어 왔습니다.

the digital revolution,

바로 디지털 혁명입니다.

which took place in large part due to advances in one place,

한 분야의 발전이 광범위한 혁명을 일으켰죠.

Bell Laboratories.

벨 연구소도 있습니다.

Bell Labs was a place with an open, collaborative environment,

벨 연구소는 늘 열려 있는 협력의 공간이었으며

and was able to attract top talent from around the world.

세계의 인재들을 모을 수 있는 곳이었습니다.

And this led to a remarkable string of innovations --

그리고 이는 놀라운 혁신의 줄기로 이어졌습니다.

the transistor, the laser, satellite communication

트랜지스터, 레이저, 위성통신,

and the foundations of the internet.

그리고 인터넷의 기반이 탄생했죠.

Our goal is to build the Bell Laboratories of protein design.

우리의 목표는 단백질 디자인의 '벨 연구소'를 만드는 것입니다.

We are seeking to attract talented scientists from around the world

우리는 단백질 디자인 혁명을 가속화하기 위해

to accelerate the protein design revolution,

세계의 인재들을 모으고 있으며,

and we'll be focusing on five grand challenges.

앞으로 다섯 가지의 큰 목표에 집중할 것입니다.

First, by taking proteins from flu strains from around the world

첫째, 전 세계의 독감 개체에서 단백질을 추출한 후

and putting them on top of the designed protein particles

방금 보여드린 것처럼 미리 디자인된 단백질 분자와 결합시킴으로써

I showed you earlier,

we aim to make a universal flu vaccine,

만능 독감백신을 만들고자 합니다.

one shot of which gives a lifetime of protection against the flu.

예방 접종 한 번으로도 독감에 평생 면역이 생기는 백신말이죠.

The ability to design --

백신을 디자인하는 능력..

(Applause)

(박수)

The ability to design new vaccines on the computer

컴퓨터로 새로운 백신을 디자인할 수 있는 능력은

is important both to protect against natural flu epidemics

두 가지 측면에서 중요합니다.

자연 독감의 재앙을 막을 수 있고

and, in addition, intentional acts of bioterrorism.

의도적인 생화학무기 테러를 막을 수도 있죠.

Second, we're going far beyond nature's limited alphabet

두 번째 목표는

자연계에 있는 한정된 숫자의 아미노산 알파벳 20개를 훨씬 넘어

of just 20 amino acids

to design new therapeutic candidates for conditions such as chronic pain,

수천 개의 아미노산 알파벳을 사용하여 만성통증과 같은 질환을 위한

using an alphabet of thousands of amino acids.

대체 치료제를 만드는 것입니다.

Third, we're building advanced delivery vehicles

세 번째 목표는, 발달된 수송 소낭을 만들어

to target existing medications exactly where they need to go in the body.

현존하는 약물치료가 신체의 필요한 곳에 정확히 도달하도록 하는 것 입니다.

For example, chemotherapy to a tumor

예를 들자면, 종양에 가하는 화학치료나

or gene therapies to the tissue where gene repair needs to take place.

유전자 수정이 필요한 세포 조직에 가하는 유전자 치료가 있습니다.

Fourth, we're designing smart therapeutics that can do calculations within the body

네 번째로, 체내에서 분석이 이루어지는 스마트 치료법을 개발하는 것입니다.

and go far beyond current medicines,

그러면 둔감한 도구일 뿐인 현대 의학을 훨씬 뛰어 넘게 될 것입니다.

which are really blunt instruments.

For example, to target a small subset of immune cells

예를 들어, 자가면역질환과 관련 있는

responsible for an autoimmune disorder,

작은 규모의 면역 세포군을 목표로 치료하고

and distinguish them from the vast majority of healthy immune cells.

다른 대부분의 건강한 면역 세포는 제외하는 것이죠.

Finally, inspired by remarkable biological materials

마지막으로, 우리에게 영감을 준 놀라운 생명의 산물들,

such as silk, abalone shell, tooth and others,

예를 들면, 비단, 전복 껍데기, 치아 같은 것들에서 영감을 얻어

we're designing new protein-based materials

에너지와 환경 문제를 해결해줄

to address challenges in energy and ecological issues.

단백질 기반 신물질들을 디자인하고 있습니다.

To do all this, we're growing our institute.

저희는 이 모든 걸 이루기 위해 연구소 규모를 확대하고 있습니다.

We seek to attract energetic, talented and diverse scientists

활동적이며, 재능 있는, 다양한 분야의 과학자들을 찾고 있습니다.

from around the world, at all career stages,

전 세계의 과학자들 누구라도 우리와 함께하길 기다리고 있습니다.

to join us.

You can also participate in the protein design revolution

여러분도 단백질 디자인 혁명에 함께하실 수 있습니다.

through our online folding and design game, "Foldit."

접힘과 다지인을 할 수 있는 온라인 게임 'Foldit'과

And through our distributed computing project, Rosetta@home,

분산 컴퓨팅 프로젝트인 'Rosetta@home'을 통해서요.

which you can join from your laptop or your Android smartphone.

여러분의 노트북 및 안드로이드 스마트폰으로 참여할 수 있습니다.

Making the world a better place through protein design is my life's work.

단백질 디자인을 통해 더 나은 세상을 만드는 것이

저의 평생 사업입니다.

I'm so excited about what we can do together.

우리가 함께 어떤 일을 해낼지 정말 기대됩니다.

I hope you'll join us,

여러분의 참여를 기대합니다.

and thank you.

감사합니다.

(Applause and cheers)

(박수와 환호)