새로운 분자를 찾아내는 인공지능과 함께하는 신약개발

 

 

[요약]

새로운 분자를 찾아내는 인공지능은 딥러닝이나 기타 기계 학습 알고리즘을 사용하여 대량의 화학 데이터를 분석하고 예측하는 기술입니다. 이를 통해 새로운 약물, 소재, 화학 물질 등을 발견하고 설계하는 데 활용됩니다. 인공지능은 화학 데이터베이스, 분자 구조, 물리적 및 화학적 특성, 생물학적 활동 등 다양한 정보를 활용하여 분자의 특성을 예측하고 유망한 후보를 식별합니다. 이러한 방식으로 인공지능은 기존의 연구 방법에 비해 효율적이고 정확한 분자 디자인을 가능케 합니다. 이를 통해 약물 개발, 소재 공학, 화학 산업 등에서 혁신적인 발전과 효율성 향상을 이룰 수 있습니다.

 

 

 

[자세하게]

새로운 분자를 찾아내는 인공지능은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기존의 약물이나 화합물과는 다른 구조와 특성을 가진 가상의 분자를 생성하고, 그 분자들의 효능이나 독성을 예측하는 기술입니다. 이러한 인공지능은 신약 개발이나 새로운 재료 발견에 도움이 될 수 있습니다.

예를 들어, 영국의 엑사이언티아라는 회사는 인공지능을 활용하여 코로나19 치료제 개발에 도전하고 있습니다. 이 회사는 현재 스크립스 연구소가 보유하고 있는 1500종의 약물을 분석하고, 캠브리지 소재의 힐스 사가 개발한 인공지능 시스템을 이용하여 코로나19와 관련된 문서와 바이러스의 구조를 연구하고 있습니다. 이 회사는 5월까지 신약 후보들의 목록을 만들 예정이며, 이미 실험실과 임상 실험 일정을 논의했다고 합니다.

인공지능은 기존 약물의 재활용도 가능합니다. 미국의 노스이스턴 대학과 하버드 의과 대학, 스탠포드 네트워크 사이언스 연구소, 생명과학 스타트업 쉬퍼 메디슨 사가 협력하여 기존 약물 가운데 코로나19 치료제로 사용될 수 있는 가능성을 연구하고 있습니다. 이들은 네트워크 의학이라는 방법론을 사용하여 분자 구성 요소 간의 복잡한 상호 작용을 통해 질병을 이해하고, 인공지능을 활용하여 81개의 예상 치료제를 발견했다고 합니다.

인공지능은 독성 분자를 찾아내는 데도 사용될 수 있습니다. 한국과 미국의 과학자들은 딥 러닝을 이용하여 독성이 강한 가상 분자를 생성하는 방법을 개발하였습니다. 이들은 인공지능에게 독성 점수 범위를 주고, 컴퓨터를 돌렸더니 6시간 만에 VX가스보다 독성이 강한 4만종의 가상 분자를 생성했다고 합니다.

인공지능은 새로운 분자를 찾아내는 데 많은 장점이 있습니다. 인공지능은 인간보다 더 빠르고 정확하게 데이터를 처리하고, 다양한 조합과 변형을 시도할 수 있습니다. 인공지능은 더 높은 차수 상관 관계를 인식할 수 있으며, 전통적인 방법론이 간과할 수 있는 개별 정보를 포착할 수 있습니다. 인공지능은 신약 개발이나 새로운 재료 발견에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.

그러나 인공지능은 완벽하지 않습니다. 인공지능은 훈련 데이터의 품질과 양에 의존하며, 편향이나 오류가 있을 수 있습니다. 인공지능은 가상 분자의 효능이나 독성을 예측할 뿐, 실제로 실험실에서나 임상에서 증명되지 않았습니다. 인공지능은 질병의 메커니즘을 설명하거나 이해하는 능력이 부족할 수 있습니다. 인공지능은 새로운 분자를 찾아내는 데 도움이 되는 도구일 뿐, 인간의 창의성이나 판단력을 대체할 수는 없습니다.

 

 

(새로운 분자를 찾아내는 인공지능의 과정)

인공지능 기반 단백질 모델링 (AI based protein modeling)은 분자물리학적 접근방법과 딥러닝 인공지능을 활용하여 단백질 구조뿐만 아니라 세포 내 단백질 작용을 예측하는 기술입니다. 이 기술은 단백질 간의 네트워크 규명을 통해 그간 알지 못했던 생명현상을 밝힐 수 있고, 신속한 약물표적 발굴을 통해 신약개발의 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

예를 들어, 인실리코메디슨과 토론토대학의 연구팀은 AI를 활용해 3만개의 분자를 스크리닝해 6개 후보물질을 발굴했습니다. 그 중 1개는 동물실험에서 긍정적인 결과를 도출했습니다. 이렇게 새로운 분자를 찾아내는 인공지능 기술은 3~5년 내에 적용 가능할 것으로 전망됩니다.

이 기술은 바이오 분야의 혁신적 연구성과로 MIT가 선정한 2020년 10대 혁신기술에도 포함되었습니다.