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유전자가위+AI 접목 기술 확산…난치병 치료 정확해진다


출처:셔터스톡

난치성 질환 치료를 위한 차세대 기술로 각광받는 유전자가위가 인공지능(AI)를 만나 정확도가 향상됨으로써 난치병 치료 관련 잠재력을 확대해 나갈 것으로 기대되는 가운데 국내외에서 유전자가위에 접목되는 AI 기술 개발이 활발하게 진행돼 눈길을 끈다.

서울대와 연세대 공동연구팀이 세계 최초로 유전자가위에 인공지능을 접목하는 데 성공했다. 앞서 글로벌 IT 기업인 마이크로소프트도 UCLA 등과 함께 유전자가위의 정확도를 높이기 위해 AI를 이용하는 프로젝트를 진행한다고 밝혔다. 이에 AI가 유전자가위의 잠재력을 최대화 해줌으로써 난치병 치료 분야에 더 큰 발전을 가져다 줄 것으로 기대되고 있다.

서울대-연대·마이크로소프트, AI 접목 유전자가위 기술 개발

지난 1월 30일 서울대 공대는 전기정보공학부 윤성로 교수와 연세대 의과대학 김형범 교수 등으로 구성된 공동연구팀이 AI를 활용해 유전자가위의 효율을 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 세계적 학술지 '네이처 바이오테크놀로지'를 통해 발표했다.

유전자가위는 유전자에 결합해 특정 DNA 부위를 자르는 데 사용하는 인공 효소로, 필요한 부분을 효과적으로 제거하기 위해서는 유전자가위의 절단 효율이 높은 표적 부위를 선정하는 것이 중요하다. 기존에는 유전자가위의 효율 예측 기술의 정확도가 비교적 떨어져 효율이 높은 표적 부위를 선정하는 데 어려움이 있었다. 유전자가위들을 제작하고 각각의 효율을 직접 실험을 통해 측정하는데 막대한 시간과 비용이 소요됐다.

공동 연구팀은 유전자가위 효율을 측정한 데이터를 대량 수집하고 딥러닝 모델을 적용한 인공지능을 개발했다. 인공지능은 표적 부위의 유전자 염기 서열뿐 아니라 유전자가위가 표적 부위에 구조적으로 잘 접근할 수 있는지도 판단한다. 스스로 학습한 데이터를 바탕으로 효율이 높은 표적 부위를 예측할 수 있게 된다.

앞서 마이크로소프트는 이미 UCLA, MIT, 하버드, 매사추세츠 종합병원 등과 함께 유전자가위의 유전자 편집 기술을 향상시키기 위해 AI를 이용하고 있다.

과학자들은 이미 유전자가위의 유전자 편집 기술을 사용해 질병을 치료하고 치료하거나 출산율을 향상 시키며 심지어 알레르기 반응을 완화 시키기도 한다. 문제는 정확하고 안전하게 DNA를 편집하는 것이 까다로울 수 있다는 것이다. 유전 물질에 있는 대부분의 영역은 동일하게 보이기 때문에 유전자가위가 종종 잘못된 유전자에 작용해 ‘오프-타겟 효과’를 유발할 수 있다.

마이크로소프트는 ‘Elevation’이라는 이름의 인공 지능 프로젝트를 통해 유전자가위로 유전자를 편집 할 때 목표 외 효과를 예측하는 도구를 개발했다. 이 도구는 유전자가위 데이터와 기계 학습을 활용해 DNA 가닥을 편집함으로써 부작용을 줄이고 편집 과정의 속도를 향상시키는 가장 좋은 방법을 예측하는 게 특징이며 클라우드 기반으로 웹에서 무료로 사용할 수 있다.

가령 전문가가 유전자가위를 활용해 특정 유전자를 변경할 계획이라면, 해당 유전자의 이름을 입력한다. Elevation은 특정 유전자에 대한 타겟 이탈 효과가 가장 적은 가이드를 기계 학습을 통해 파악하고 제안한다. 또한 목표 대상 유전자의 타겟 이탈 효과 가능성에 대한 피드백을 제공한다.

윤성로 교수(출처:서울대)

“온 타겟 vs 오프타켓”

국내 공동연구팀과 마이크로소프트의 AI 접목 유전자가위 기술 모두 유전자가위의 정확도를 높인다는 점에서 같다. 하지만 두 연구 사이에는 차이가 있다는 게 윤성로 교수의 설명이다.

그에 따르면 국내 연구팀의 기술은 'On-target activity'고 마이크로소프트의 연구는 ‘Off-target activity’라는 게 둘 사이의 가장 큰 차이다. 국내 연구팀의 연구는 유전자가위가 잘라야 하는 부위를 얼마나 제대로 자를 것인지를 예측하고, 마이크로소프트의 연구는 자르지 말아야 하는 부위를 예측한다는 게 윤 교수의 설명이다.

현재의 유전자가위 기술은 목표 부위마다 얼마나 잘 자를 수 있는 지의 정도가 다르기 때문에 이를 예측할 수 있는 기술이 중요하다. 가령 유전자 A가 암을 유발한다면, 유전자가위가 유전자 A에서 잘 절단할 수 있는 부위를 알아야 더 효율적으로 유전자 A를 제거할 수 있다.

이와 달리 마이크로소프트의 Off-target activity는 유전자가위가 목표로 하지 않았던 부위는 얼마나 자르지 않을 것인지를 예측한다. 지금의 유전자가위 기술 한계점은 표적 부위가 아닌 부위까지 절단할 수 있는 리스크가 있다. 암을 유발하는 유전자 A를 자르려고 했지만 엉뚱하게 유전자 B를 절단할 수도 있다는 얘기다. 이 같은 악영향을 예측하는 것도 연구 분야다.

특정 유전자 제거해 자폐증 치료, 면역세포를 ‘암전투기’로

이와 함께 국내 연구진이 유전자가위와 빅데이터 기술을 이용해 자폐증의 원인이 되는 '사이토카인(cytokine)' 유전자를 발견한 사례도 있다. 지난달 말 과학기술정보통신부(장관 유영민)는 김철희 교수(충남대학교)와 신희섭 단장(기초과학연구원)이 참여하는 국제공동연구팀이 자폐증에 관여하는 새로운 신경계 사이토카인 유전자를 발견했다고 발표했다.

연구팀은 지난 1997년 히라노 교수(오사카대학)와 신경계 사이토카인 탐색 공동연구를 시작해 2006년 새로운 사이토카인을 발견하고 한국식 이름인 '삼돌이(samdori)'라고 명명한 바 있다. 연구팀은 유전자 가위기술을 이용해 제브라피시와 생쥐에게서 삼돌이 유전자를 제거한 다음 정상적인 것들과 행동을 비교 분석했다. 그 결과 삼돌이 유전자가 제거된 제브라피시와 생쥐는 신체적 성장에는 문제가 없지만 불안행동이나 감정조절이 이상이 있다는 것이 확인됐다.

'삼돌이'유전자 제거후 제브라피시의 불안행동 실험(출처:과학기술정보통신부)

펜실베니아 대학 의사들은 최근 이들은 유전자가위를 이용해 인간 면역세포를 수정함으로써 이 세포들이 암세포 살상 전문 세포로 만드는 임상 실험을 실시할 계획이라고 밝힌 바 있다. 유전자가위를 사용해 환자의 T 세포에서 두 가지 유전자를 제거, 더 나은 암 전투기로 만든다는 게 해당 임상 실험의 내용이다. 조작된 면역세포는 세균이나 여타의 병든 조직 제거에 대한 수용체가 삭제돼 오로지 특정 암세포만을 공격하게 된다. 이 임상은 다발성 골수종, 육종, 흑색 종의 세 가지 유형의 암을 대상으로 한다.

메사추세츠 주 캠브리지에 본사를 둔 생명 공학 회사 인 CRISPR Therapeutics는 지난 12 월 유럽 규제 당국에 사람들의 혈액 세포에 유전 적 변형을 가함으로써 혈액 장애인 베타 지중해 혈증을 치료할 수 있는 기술에 대한 인증을 요청했다. 이와 함께 중국에서도 유전자가위를 이용한 유사한 연구들이 진행되고 있다.

 

[메디컬리포트=강현주 기자]


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