19개 아미노산 생명체 탄생… AI로 생명의 기본 규칙 바꿨다

지구상 모든 생명체의 기본 구성 단위인 20종의 아미노산을 19종으로 줄인 합성 생명체가 인공지능(AI) 기술을 통해 탄생했다.

6일(현지시간) 바이오 전문매체 바이오온에 따르면 미국 컬럼비아대학교 해리스 왕 교수 연구팀은 생성형 AI를 이용해 필수 아미노산 1종을 다른 아미노산으로 완전히 대체한 대장균을 만드는 데 성공했다. 해당 연구 결과는 지난달 30일 국제학술지 '사이언스'에 게재됐다.

자연계의 모든 생명체는 20가지 표준 아미노산을 조합해 단백질을 만든다. 연구팀은 이 중 하나를 줄여도 생명체가 유지될 수 있는지 확인하고자 했다. 연구팀은 구조적으로 유사한 이소류신, 발린, 류신에 주목하고 이소류신을 나머지 둘로 대체하는 가설을 세웠다.

하지만 대장균의 39개 필수 단백질에서 모든 이소류신을 발린이나 류신으로 단순히 치환하자 단백질의 57%가 기능을 잃어 세포가 사멸했다. 단백질 기능과 구조를 유지하며 아미노산을 바꾸는 것이 핵심 과제였다.

연구팀은 단백질 언어 모델과 구조 기반 딥러닝 모델 등 생성형 AI를 해결책으로 활용했다. AI는 특정 아미노산을 대체할 때 발생할 연쇄적인 구조 변화를 예측하고, 구조 안정성과 기능을 유지하기 위한 '보상 돌연변이'를 함께 제안했다.

연구팀은 AI 설계를 바탕으로 세포 내 '단백질 합성 공장'인 리보솜을 구성하는 52개 단백질의 이소류신 382개를 모두 성공적으로 재설계 및 교체했다. 이렇게 탄생한 'Ec19' 균주는 야생형 대장균의 90% 이상에 달하는 성장 적합도를 보였다.

특히 Ec19 균주는 450세대 이상 증식을 거듭해도 유전체가 안정적으로 유지됐다. 다시 이소류신을 사용하도록 '퇴화'하는 돌연변이가 발생하지 않아, 간소화된 생명 형태의 유전적 안정성과 진화 가능성을 입증했다.

이번 연구는 지구 생명체의 20개 아미노산 구성이 절대적인 최소치가 아님을 실험적으로 증명한 첫 사례다. 또한 생성형 AI와 정밀 유전체 공학을 결합해 생명의 기본 요소를 재설계하는 강력한 방법론을 제시했다는 평가를 받는다.