켐비즈(ChemBeads): 인간의 창의성으로 인공지능(AI)의 한계 극복

신약 개발은 쉽지 않습니다.
세 명의 애브비 과학자가 로봇이 해결할 수 없는 문제의 솔루션을 제시했습니다

켐비즈: 화합물로 코팅된 유리

작은 유리 구슬, 파우더 혼합 기계 그리고 고체 화학물질의 공통점은 무엇일까요? 

공통점이 그리 많지는 않습니다. 하지만, 애브비 화학자들이 일부 화합물의 스크리닝 기간을 수 주에서 수 일로 단축시키는 아이디어를 제시하면서 공통점이 생겼습니다.

의약품이 되기 훨씬 오래 전부터 화합물은 이미 존재합니다. 다시 말하면, 의약품이 될 수 있는 특별한 몇 가지를 발견하려면 수 천 개의 화합물을 테스트해야 합니다.  신약으로 개발 가능성이 있는 이러한 “리드 화합물(lead compounds)”을 확인하기 위해서는 오랜 시간과 많은 자원이 소요되는 테스트 과정을 거쳐야 합니다. 

이런 화합물을 테스트하기 위해서는 과학자들이 먼저 그러한 화합물을 만들어야 합니다. 하지만 안타깝게도 원하는 화합물을 만들기 위해 필요한 조건들을 찾는 것이 종종 장애물이 되기도 합니다. 활용 가능한 재료의 양은 제한적이고 다양한 조건을 효율적, 효과적으로 스크리닝하기 위한 기술력도 부족하기 때문입니다. 이미 과학적 발견에서 잠재적 치료제로 신약을 개발하는 고통스럽고 더딘 과정에 이러한 시간 소모적이고 많은 자원이 소요되는 과정을 더 거쳐야 하는 것입니다.

고체 화합물 스크리닝에 고전하는 로봇

화학자들이 직면하는 문제는 모든 화합물이 그 물리적 특성에 따라 항상 동일하지 않다는 것입니다. 이로 인해, 로봇이 다른 어떤 것보다 더 잘 화학물을 취급할 수 있는 이유입니다.

요즘 거의 모든 분야에 활용되는 것처럼 스크리닝 과정을 개선하기 위해 인공지능(AI)이 사용되었습니다. 하지만, 로봇이 스크리닝 과정에서 효과적으로 활용될 수 있는 것은 균일한 액체를 사용할 때입니다. 고체 화학물의 경우, 로봇이 처리하기에 더 까다로운 것으로 밝혀졌습니다. 액체는 동질적이어서 로봇이 판독하기에 쉽지만, 고체 화학물은 푹신하거나, 투명하거나, 두툼한 성질을 가질 수도 있어 로봇이 판독하기 까다롭습니다.

이런 로봇의 한계에 대해 다행히도 우리 인간이 창의력을 발휘해 그 해법을 찾아냈습니다. 애브비 HTC(high throughput chemistry) 부서의 노아 투(Noah Tu)와 잉 왕(Ying Wang), 아만다 돔브로우스키(Amanda Dombrowski)라는 직원 세 명이 유리 구슬과 건조 혼합 기계를 사용하여, 로봇의 작업 진행에 도움을 줄 수 있는 아이디어를 제시했습니다.

돔브로우스키에 따르면, 그 아이디어는 좌절로부터 탄생했다고 하는데, 때로 좌절이 강력한 동기유발 요인이 되기도 합니다.

애브비 HTC 팀 소속인 왼쪽부터 잉 왕, 노아 투, 아만다 돔브로우스키는 로봇이 더 빨리 고체 화학물을 선별하는 것에 도움을 줄 수 있는 아이디어를 제시해 화학자들이 신약 발견에서 잠재적 치료제 개발까지의 과정을 대폭 단축시킬 수 있도록 도왔습니다. 

돔브로우스키는 “로봇이 고체 화학물을 처리하는 유일한 방식은 고체 화학물을 액체로 녹이는 것입니다. 하지만, 이렇게 하려면 많은 작업을 거쳐야 하며 무수히 반복적인 반응 식별 과정을 진행해야 합니다. 고체 화학물을 손쉽게 조제할 수 있는 방법이 실제로는 없었습니다.” 라며, “더 나은 솔루션을 원한다면, 우리 스스로가 그 솔루션을 찾아야만 한다는 사실을 깨달았습니다.”라고 했습니다. 

요즘 거의 모든 분야에 활용되는 것처럼 스크리닝 과정을 개선하기 위해 인공지능(AI)이 사용되었습니다. 하지만, 로봇이 스크리닝 과정에서 효과적으로 활용될 수 있는 것은 균일한 액체를 사용할 때입니다. 고체 화학물의 경우, 로봇이 처리하기에 더 까다로운 것으로 밝혀졌습니다. 액체는 동질적이어서 로봇이 판독하기에 쉽지만, 고체 화학물은 푹신하거나, 투명하거나, 두툼한 성질을 가질 수도 있어 로봇이 판독하기 까다롭습니다.

몇 번의 시행착오를 거친 후, HTC 팀은 약물이 다른 비활성 재료와 혼합되면서 고체가 갖는 속성이 개선되는 과정에서 아이디어를 얻었습니다. 유리 구슬을 고체 화학물과 건조 혼합기에서 섞어주면 구슬이 고체 화학물로 코팅될 수 있다는 사실을 발견해 냈습니다. 고체 화학물들은 종종 물리적 특성이 서로 매우 다르지만, 화학물로 코팅된 구슬은 그 속성이 유사하여 로봇의 작업을 훨씬 쉽게 해 줍니다.

아래 동영상에서는 애브비의 신약 발견 및 화학 기술 부서의 선임 연구원 노아 투가 이 과정을 보여주고 있습니다.

좋은 아이디어를 탁월한 해결책으로 변모시킨 1백만분의 1그램의 구슬

한 알의 화학 구슬의 무게는 백만분의 1그램인데, 이 무게의 5%가 활성 화학물질이며, 나머지 95%는 유리 구슬로 되어 있습니다.

화학적으로 코팅된 유리 구슬을 제조하는 자동화 과정(이를 발명한 화학자들에 의해 “켐비즈(ChemBeads)”로 명명)을 사용하면 화합물을 만드는 조건을 찾는 과정을 단순화할 수 있습니다. 이것이 이 작은 구슬들이 그렇게 주목받는 이유입니다.

애브비 신약 발견 및 화학 기술 부서의 선임 연구원 노아 투(Noah Tu) 박사는 “우수한 과학이란 좋은 아이디어를 내고 그것을 더 우수한 해결책으로 제시하는 것입니다. 이것이 바로 저희가 한 일입니다. 2016년에 켐비즈에 대한 아이디어를 낸 이래로 해결책이 될 기술을 정교하게 만들어 개선해 왔습니다.”라고 합니다.

HTC 팀장인 애닐 배수데반(Anil Vasudevan) 박사에 따르면 그 이후 켐비즈라는 말은 애브비의 화학 실험실에서 빠르게 퍼져나갔다고 합니다.

배수데반 박사는 “몇 년 전만 해도 누구도 켐비즈에 대해 말하거나 들어보지도 못했습니다. 하지만, 요즘 우리 실험실에서 켐비즈는 아주 일상적인 단어가 되었습니다. HTC 팀에서 켐비즈에 대해 처음 얘기했을 때만 해도 저는 적용이 제한될 것이라고 생각했습니다.”라며, “HTC 팀원들은 이 아이디어를 믿었고 포기하지 않았습니다. 오랫동안 신약 개발 과학자들을 괴롭혀 온 문제에 대한 실용적인 해법을 찾기 위한 이들의 결연한 의지에 깊이 감명 받았습니다.”라고 말했습니다.

신약개발 화학 및 기술팀의 선임 연구원인 노아 투 선임연구원이 켐비즈를 담은 병을 듣고 있습니다. 이 한 병 안에 약 50만개의 화학 구슬이 들어 있습니다.

제약 산업에서는 환자를 위해 치료제의 신속한 개발이 매우 중요한데, 애브비 화학자들이 개발한 켐비즈로 화합물을 만드는 방법을 찾는데 통상 몇 주가 소요되는 과정을 단 2~3일로 줄일 수 있게 됐습니다. 거기에 켐비즈는 소량의 재료만 사용해도 식별이 가능해, 소요 자원도 절감해 줍니다. 현재까지 HTC 팀에서는 약 350 가지 이상의 화학구슬을 만들었으며 일리노이, 메사추세츠, 독일 및 캘리포니아 연구소의 화학팀을 위해 반응 조건을 발견해 냈습니다.

애브비 신약개발부서 부회장인 톰 허드슨(Tom Hudson) 박사는 “우리의 일이 신약 개발 과정에서의 첫 필수 경로가 되었습니다. 애브비의 화학자들은 신약 개발 과정에서 가능한 한 빨리 화합물을 선별하는 일을 책임지고 있습니다.”라며, “저는 이 팀이 매우 자랑스럽습니다. 팀이 보여준 확고한 의지는 창의성이 과학과 기술의 발전에 커다란 힘이 된다는 것을 실제로 입증했습니다.”라고 했습니다.

최신 소식 받기를 등록하십시오

주제별 알림 서비스에 등록해 애브비의 최신 뉴스와 소식을 받아 보십시오.

태그: 연구개발기술과 플랫폼애브비 인재