수학·컴퓨터공학 전공자...신약개발 접근법도 독창적

• 스탠다임 김진한 AI, 카이스트 김재경 미분방정식 시뮬레이션

코엑스에 모인 제약바이오 전문가들은 수학적 알고리즘과 인공지능(AI)으로 신약 개발에 매진하고 있는 두 젊은 전문가의 발표에서 시선을 떼지 못했다.

23일 서울 코엑스에서 열린 2017코리아바이오플러스 전문가 포럼에서 스탠다임 김진한 대표와 카이스트 김재경 교수는 AI와 생체시계를 활용한 신약개발을 선보였다.

두 전문가의 공통점은 지금껏 제약바이오 업계에서 잘 활용되지 않던 생소한 분야의 신약개발이라는 점이다. 김진한 대표는 데이터 기반 수학적 방식으로 인공지능에 딥러닝 기법을 도입했으며, 김재경 교수는 올해 노벨상을 받은 생체시계를 활용하고 있다.

◆바둑도 신약도 결국에는 수학 문제

스탠다임 김진한 대표

생물학과 컴퓨터공학 전공자인 김 대표는 스탠다임 인공지능 '스탠다임 AI'의 알고리즘을 개발했다. 그는 스탠다임의 철학에 대해 "사람의 능력으로 다다르지 못했던 영역이나 직감의 분야를 알파고가 바둑조차 계산 문제였다는 것을 보여줬다. 뚜렷한 규칙을 정할 수 없는 생물학이라고 해도 사람을 넘어서는 영역에서는 인공지능을 통해 최소한의 성과라도 얻을 수 있다"는 것이라고 말했다.

스탠다임은 현재 두 개의 영역에서 기술개발을 하고 있다. 핵심은 기존에 나와있는 약물이 다른 질환에 쓰일 수 있게 하는 '드럭 리포지셔닝'이다. 또 다른 하나는 후보물질 발굴 등에 활용하는 것이다. 김 대표는 "우리가 풀고자 하는 답은 하나다. AI를 통해 좋은 약을 찾고자 함"이라고 설명했다.

김 대표에 따르면 기계학습의 영역에 인공지능이 있고 그 아래에 딥러닝 기법이 있다. 기계학습에서는 사람이 규칙을 정해준 대로 결과가 나왔지만 딥러닝에서는 일종의 영역 이후부터는 인공지능이 스스로 학습하며 구조적 데이터부터 의미를 가지는 수준으로 발전한다. 스탠다임 AI는 기존에 나와있는 약물 데이터를 학습, 데이터를 예측해서 새로운 치료제로 사용이 가능한 분야를 알려주는 인공지능이다.

김 대표는 AI의 3가지 조건을 이같이 밝혔다. ▲인공지능이 내린 결론에 대한 과정 설명 ▲인공지능이 제시한 후보물질의 실험 가능한 형태와 개수에 우선순위를 매길 수 있는 체계 ▲실험 과정에서 얻게 되는 추가 데이터 등의 반영을 통한 향상된 액티브 러닝이다.

그는 "리포지셔닝의 영역을 넘어 타겟까지 다루는 것은 단일 모델로 해결할 수 없어 여러 기계학습 모델을 합쳤다"며 "파트너의 관심 분야와 (신약)파이프에 따라, 혁신성이 높아짐에 따라 새로운 정보가 나오고 있다"고 말했다.

그러면서도 "결국엔 사람에게 적용되는 약이니 최종 검증은 사람이 될 수 밖에 없다. 시험 데이터로 말해야 한다"며 "인류가 가진 지원과 수단을 인공지능 기술로 시도하는 것이니 본질에 대해 이해를 잘 해야한다"고 강조했다.

◆생물학은 시간에 따라 변화한다

카이스트 김재경 교수

카이스트 수리과학과 김재경 교수는 사람의 생체시계를 정확히 표현하는 컴퓨터 모델을 연구했다. 신체의 생체시계를 미분방정식으로 분석하는 것으로 현재 화이자가 개발 중인 PF-670462이라는 생체시계 조절 약물에 활용 중이다.

김 교수는 화이자의 제안으로 자신의 시뮬레이션 모델을 통한 약효와 임상을 통한 약효를 비교했다. 기존 임상에서는 잘 나오지 않던 생체시계에 따른 약효를 그의 컴퓨터 시뮬레이션에서는 잘 잡았다. 무엇보다 가장 큰 차이는 약효를 측정하는 정확도는 임상과 비슷했지만 시뮬레이션은 단 3000만원의 비용만이 들었다는 점이다.

그는 자신의 연구를 "세포 속에서 발생하는 복잡한 생화학 반응을 방정식을 활용해 컴퓨터로 시뮬레이션 하는 것"이라고 설명하며 단백질이 어떻게 변화하는지 확인해 신약개발에 도움이 될 수 있다고 했다.

김 교수 연구의 핵심은 서캐디안 리듬이다. "많은 생물학자들이 24시간 주기적으로 변화하는 우리의 몸이 어떻게 특정한 시간에 반응하는지 수십년 동안 질문을 해왔다. 그 첫 대답이 올해 노벨상을 받은 '서캐디안 리듬(circadian rhythm)'이다"고 말했다.

서캐디안 리듬은 우리 몸이 24시간 주기를 변화하는 것을 말한다. 그는 "우리 뇌 속에 있는 콩알 만한 생체시계 서캐디안 클릭이 생체리듬을 조절한다"며 생체시계는 시계의 몸통이고 눈은 시계 조절장치라고 설명했다.

서캐디안 리듬 설명 자료. 햇빛에 따라 생체시계는 변화한다.

김 교수는 화이자의 PF-670462은 대략 6시간 정도 생체시계를 조절 할 수 있다고 밝혔다. 그러나 동일한 쥐에게 똑같은 양을 주더라도 '언제' 투약했는지에 따라 그 약효는 다르다는 게 그의 연구 결과다. 최대 3배까지도 차이를 보이는데 생체시계가 지속해서 변하기 때문이다. 그러나 쥐는 야행성이다. 주행성인 사람의 신체리듬에 맞춰 3상을 진행 중이다.

생체시계를 활용해 다른 분야의 약물 개발에 적용 가능할 것으로 보고 있다. 흔히 나이가 들면 밤잠이 없어지는 것은 노화로 생체시계가 약해졌기 때문이며 이로 인해 당뇨, 암, 면역질환, 불면증 등이 생긴다는 그의 설명이다. 교대 근무가 많은 사람의 경우 생체시계는 혼란을 느끼게 된다.

김 교수는 "응급실 간호사의 유방암 확률은 정상 여성 대비 최대 8배 높다"고 강조하며 "항암제도 아침과 오후 중 언제 주느냐에 따라 효과가 다 다르다. 7000~8000개의 유전자와 후보물질, 미국에서 팔리는 베스트100 약물 중 56개가 생체시계와 연관됐다"고 설명했다.

그는 마지막으로 "생명과학을 연구할 때 생물시스템이 변하지 않는다는 전제를 두고 있다. 우리가 연구하는 생물시스템은 시간에 따라 항상 변하고 있다는 것을 인지해야 한다"고 거듭 강조했다.