인공지능을 활용한 새로운 항생제 개발

MIT 연구자들이 인공지능의 도움으로 새로운 항생제를 개발하여 치료가 어려운 두 가지 감염병인 약물 내성 임질균(Neisseria gonorrhoeae)과 다제내성 황색포도구균(MRSA)과 싸울 수 있는 가능성을 열었습니다. 이 연구팀은 3600만 개 이상의 화합물을 설계하고 항균 특성을 계산적으로 선별하여, 기존 항생제와 구조적으로 완전히 다른 최상위 후보를 발견했습니다. 이 연구는 향후 다른 박테리아에 대한 항생제의 발견과 개발에 인공지능을 적용할 수 있는 잠재력을 시사합니다.

AI 알고리즘을 통한 분자 설계

인공지능(AI)은 현대 과학에서 큰 혁신을 가져오고 있습니다. MIT의 연구자들은 AI의 생성 알고리즘을 사용하여 3600만 개가 넘는 항균 화합물을 설계하고 이들을 검토하여 감염에 효과적인 물질을 찾아냈습니다. 이 과정에서 기존의 화합물 라이브러리에서 찾을 수 없는 독창적인 분자 구조를 발견했으며, 이러한 분자들은 새로운 방식으로 박테리아 세포막을 교란하여 세균을 사멸시키는 메커니즘을 방어할 것으로 기대됩니다. 우선 연구자들은 약물 내성 임질균을 목표로 하여 특정 화학 조각(fragment)을 기반으로 분자를 디자인했습니다. 약 4500만 개의 알려진 화학 프래그먼트를 모은 후, AI의 머신러닝 모델을 사용하여 항균 활성을 예측하고 약 400만 개의 프래그먼트를 분석했습니다. 이 중 인체 세포에 독성을 나타내지 않고 기존 항생제와 비슷하지 않은 화합물 약 100만 개를 선별하였습니다. 이 과정을 통해 연구자들은 약물 내성에 효과적인 독창적인 화합물을 발굴할 수 있는 가능성을 확인했습니다. 이후, 특정 프래그먼트를 이용하여 추가 화합물을 생성하는 두 가지 AI 알고리즘을 적용했습니다. 그 중 하나인 'CReM'은 기존 분자를 수정하여 새로운 분자를 생성하며, 또 다른 알고리즘인 'F-VAE'는 화학 조각을 바탕으로 전체 분자를 조합하는 방식으로 작동합니다. 이러한 기술을 통해 최종적으로 약 1000개의 화합물을 검토한 후, 최종 후보로 선정된 'NG1'은 약물 내성 임질균을 효과적으로 제거하는 결과를 보여주었습니다.

새로운 메커니즘의 발견

연구팀이 발견한 'NG1' 화합물은 LptA라는 단백질과 상호작용하며, 세균 외막의 합성을 방해하는 독창적인 메커니즘을 갖고 있습니다. 이는 세균의 생명 유지에 필수적인 세포막 구조를 교란하여 감염을 치료하는 새로운 방식으로 작용합니다. 이러한 발견은 인공지능의 힘을 활용한 새로운 항생제 개발의 가능성을 보여줍니다. 이란 연구팀은 다제내성 황색포도구균(MRSA)에 대한 연구 또한 진행하였습니다. 다시 한 번 생성 AI를 활용하여 더 유연하게 화합물을 설계하고 총 2900만 개의 화합물을 생성한 후, 이중 90개 화합물을 선정하여 제조회사에 의뢰하여 합성했습니다. 총 22개의 화합물이 실험에 활용되었으며, 그 중 6개 화합물은 MRSA에 대해 강한 항균 활성을 보여주었습니다. 연구자들은 두 번째로 우수한 후보인 'DN1'이 MRSA 감염 모델에서 효과를 발휘하는 것을 확인하였고, 이는 기존 항생제와는 다른 메커니즘으로 작용하여 매우 주목받고 있습니다. 이러한 신약 후보 화합물은 박테리아 세포막에 대한 폭넓은 영향을 주며, 단일 단백질과의 상호작용에 국한되지 않습니다. 이는 항생제 개발에서 새로운 가능성을 열어주며, 더 다양한 종류의 세균 감염에 대처할 수 있도록 돕습니다.

향후 연구 방향 및 기대

이 연구는 미군 방어 위협 감소국, 국립보건원(NIH) 등 여러 기관의 지원을 받아 진행되며, 앞으로 약물 후보 물질의 화학적 변형과 추가적인 테스트를 통해 보다 안전하고 효과적인 치료제를 개발하는 데 목표를 두고 있습니다. 연구자들은 인공지능을 통해 발견한 이 두 가지 항생제 후보인 'NG1'과 'DN1'을 더욱 활용해 새로운 박테리아 병원체에 대한 치료법을 발전시키고자 합니다. 특히, 결핵균(Mycobacterium tuberculosis) 및 푸세오모나스 균(Pseudomonas aeruginosa)와 같은 다른 감염병에 대해서도 이와 같은 접근 방식을 적용하여 새로운 항생제 개발에 나설 계획입니다. 이러한 연구들은 박테리아의 약물 내성이 심화되고 있는 현재, 인류가 직면한 심각한 문제에 대한 대응 방법이 될 것입니다. 결론적으로, MIT 연구팀의 혁신적인 접근 방식은 약물 내성 박테리아에 맞서는 길을 제시하며, 항생제 개발의 새로운 패러다임을 열어줄 것으로 기대됩니다. 향후 더욱 발전한 치료가 가능한 항생제의 발견과 상용화를 통해 많은 생명을 구할 수 있는 기회가 주어질 것이라 믿습니다.

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