앤트로픽, AI 클로드 활용해 미지의 단백질 복합체 3D 구조 규명

인간의 거의 모든 세포 속에는 리보솜의 3배에 달하는 거대한 단백질 껍질이 들어차 있습니다. 대성당의 둥근 아치 천장을 닮았다고 해서 '볼트(vault)'라 불리는 이 입자는 1986년에 처음 발견되었지만, 40년 가까이 지난 지금까지도 정확히 무슨 일을 하는지 밝혀지지 않은 대표적인 생물학 미스터리입니다.

연구가 까다로웠던 이유는 명확합니다. 초파리나 선충 같은 대표적 실험 모델 생물에는 아예 존재하지 않고, 쥐의 볼트를 유전적으로 없애도 생존에 겉보기 문제가 드러나지 않았기 때문입니다. 이에 앤트로픽의 생명과학 연구팀은 자사 AI 클로드(Claude)와 손잡고, 구조가 단순해 배양이 빠른 원핵생물에서 볼트의 3D 구조를 규명하는 새로운 접근법을 시도했습니다.

3일 걸리던 정제를 90분으로 줄인 과감한 제안

원핵생물과 박테리오파지의 유전체에서 볼트 유사 단백질 서열이 보고된 적은 있었지만, 이들이 실제로 세포 내에서 온전한 볼트 입자를 조립하는지는 확인된 바 없었습니다.

연구팀은 클로드 사이언스를 활용해 150억 개에 달하는 예측 단백질 데이터베이스를 샅샅이 뒤져 후보군을 찾아냈습니다. 44개 유망 단백질을 선별한 뒤, 클로드는 숙주 대장균에 맞춘 DNA 서열을 설계하고 발현 조절 서열까지 덧붙였습니다. 그 결과 15개 단백질이 수용성 상태로 성공적으로 발현되었습니다.

가장 흥미로운 대목은 단백질 정제 과정이었습니다. 기존 진핵생물 볼트 정제는 설탕 밀도구배 원심분리를 거치느라 꼬박 3일이 걸렸습니다. 팀이 크기 배제 크로마토그래피로 단축하려 하자, 클로드는 초기에는 단백질 덩어리가 함께 섞여 나올 수 있다며 반대 의견을 냈습니다. 하지만 연구팀이 시도를 밀어붙이자, 클로드는 적합한 컬럼을 추천하는 한편 세포 파쇄액을 사전 정제 없이 컬럼에 바로 투입하자는 파격적인 아이디어를 냈습니다.

고가의 컬럼이 막힐 위험이 있는 도박이었지만 결과는 대성공이었습니다. 3일 걸리던 정제 시간이 단 90분으로 줄어들었고, 극저온 전자현미경을 통해 4종의 단백질이 실제로 볼트 구조를 형성함을 확인했습니다.

34시간 만에 끝낸 모델링과 크기 확장

극저온 전자현미경 데이터를 정밀한 3D 분자 구조로 복원하는 일은 보통 수주일에서 수개월 동안 소프트웨어와 씨름해야 하는 고된 작업입니다. 앤트로픽은 클로드를 내부 멀티에이전트 시스템에 연결해 오픈소스 데이터 처리 툴인 RELION을 직접 구동하게 했습니다.

인간 연구진이 분석 방향을 코칭하자, 클로드는 단 34시간 만에 최초의 전신 3D 모델을 완성했고 일주일 만에 최종 맵을 도출했습니다. 이번에 규명된 파지 유래 L05 볼트는 96개의 단일 단백질로 이루어진 9.5메가달톤 규모의 거대 복합체로, 인간의 78개 구조보다 키는 작지만 내부 부피는 약 25% 더 컸습니다.

연구팀은 클로드와 함께 15종의 변형체를 설계해 내부 부피를 20% 더 키운 인공 볼트를 만드는 데도 성공했습니다. 또한 클로드는 껍질 안쪽 주머니에 조효소 A(CoA)와 매우 닮은 미확인 분자가 결합해 있다는 점을 포착해 향후 기능 연구를 위한 결정적 단서를 남겼습니다. 볼트를 처음 발견했던 레너드 롬(Leonard Rome) 박사도 이번 데이터를 보고 다른 연구자들의 후속 연구를 촉발할 귀중한 성과라고 반겼습니다.

왜 중요한가

우리가 보기에 이번 성과의 진짜 핵심은 '생물학 실험실에서 AI를 쓰는 방식의 진화'입니다.

그동안 바이오 분야의 AI 활용은 알파폴드 같은 오프라인 구조 예측이나 논문 요약에 머무는 경우가 많았습니다. 하지만 앤트로픽이 보여준 방식은 언어모델이 실제 습식 실험(wet lab)의 파트너로 개입하는 모습입니다. DNA 설계부터 정제 프로토콜의 위험 검토, 실험실 장비 직접 제어, 전문 소프트웨어 구동까지 전 과정을 조수처럼 수행했습니다.

수주일의 작업이 34시간으로 단축된다는 것은 실험 과학의 시간표를 완전히 바꿉니다. 실패 비용이 극적으로 낮아지면, 그동안 너무 까다롭거나 오래 걸려 방치되었던 수많은 기초 생물학의 난제들을 다시 검토할 여유가 생깁니다.

물론 AI 혼자서 연구를 다 해낸 것은 아닙니다. 앤트로픽이 소셜미디어를 통해 밝혔듯 클로드는 작업 도중 단순한 실수를 여러 차례 저질렀고, 숙련된 연구원의 개입이 필수적이었습니다. 그럼에도 적절한 실행 도구와 결합된 프론티어 AI가 실제 과학적 발견을 이끌어내는 강력한 가속기가 될 수 있음을 구체적으로 증명해 보였습니다.