AI가 DNA를 설계하고 생명을 창조하는 시대: 생명공학의 패러다임을 바꾸다

오랫동안 생물학자들은 생명을 이해하기 위해 관찰하고 해부하는 방식에 익숙했습니다. 마치 자동차의 작동 원리를 알기 위해 부품을 하나씩 제거하며 변화를 관찰하는 비유처럼 말이죠. 지난 세기의 가장 큰 혁신 중 하나였던 인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project)도 마찬가지였습니다. 우리는 10년 넘게 30억 개의 DNA 염기 서열을 매핑했지만, 염기 서열을 ‘읽는’ 것만으로는 DNA의 진정한 기능에 대해 얼마나 아는 것이 없는지 깨닫게 되었습니다.

하지만 공학적 사고방식을 가진 연구자들은 다릅니다. 만들고 창조함으로써 이해합니다. 오늘 저는 생물학과 생명 자체를 연구하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 아이디어를 공유하고자 합니다. 단순히 DNA를 읽고 해부하는 것을 넘어, 이제는 DNA를 ‘생성’해야 할 때입니다. DNA를 AI가 읽고, 쓰고, 궁극적으로는 생명을 구축할 수 있는 ‘언어’로 대하는 것입니다.

DNA, 생명의 언어, 그리고 AI의 학습

이러한 아이디어는 스탠퍼드(Stanford)와 아크 인스티튜트(Arc Institute)의 연구팀에게 ‘AI로 백지상태에서 전체 게놈을 생성할 수 있을까?’, 즉 ‘생명을 처음부터 구축할 수 있을까?’라는 거대한 질문을 던지게 했습니다. 생명의 코드를 생성형 AI에 입력한다는 생각은 전율을 선사하는 동시에 다소 불안하게 느껴질 수도 있습니다. 하지만 만약 이것이 가능하다면, 과학과 의학 분야에서 가장 강력한 돌파구를 열 수 있을 것이라는 확신을 얻었습니다.

DNA는 여러 면에서 언어와 같습니다. 문법과 구조를 가지고 있으며, 문장과 단락이 모여 하나의 이야기를 형성합니다. 그리고 이 이야기들은 진화를 통해 세대에서 세대로 전해집니다. 인간에게 DNA에 쓰여진 이 이야기들을 이해하는 것은 매우 어려웠습니다. DNA는 엄청나게 길면서도, 동시에 아주 작은 실수에도 민감하기 때문입니다. 외국어로 3만 권 분량의 글을 쓰는데, 수십억 개의 문자 중 단 하나만 틀려도 건강한 사람과 생명을 위협하는 질병을 가진 사람의 차이를 의미할 수 있다고 상상해 보십시오.

이러한 난관을 극복하기 위해, 저는 동료인 마이클 폴리(Michael Poli)와 함께 극도로 긴 DNA 서열을 생성할 수 있는 AI를 개발했습니다. 이 AI는 기존 AI 모델보다 500배 더 긴 DNA 서열을 높은 수준의 정밀도로 생성할 수 있습니다. 우리는 과학자와 AI 전문가로 구성된 팀을 꾸려 AI 훈련에 사용될 가장 큰 DNA 컬렉션인 8만 개의 전체 게놈을 수집하여 ‘Evo’라고 명명된 모델에 학습시켰습니다. 우리의 목표는 DNA를 위한 ChatGPT와 같은 것을 만드는 것이었습니다. Evo에게 원하는 DNA를 설명하면 새로운 서열을 한 글자씩 생성해 주는 것이죠.

AI가 창조한 최초의 생체 시스템: CRISPR

하지만 챗봇과는 한 가지 중요한 차이가 있습니다. 챗봇이 생성한 내용은 사용자가 읽고 이해할 수 있지만, DNA는 직관적인 인간의 언어가 아닙니다. AI가 생성한 DNA가 진짜이고 제대로 작동하는지 어떻게 알 수 있을까요? 우리는 ‘검증’이 필요했습니다. 그래서 생물학에서 익숙한 도구인 크리스퍼(CRISPR)를 통해 시험하기 시작했습니다. 유전자 치료 등에 사용되는 분자 가위와 같은 크리스퍼를 Evo에게 처음부터 자체적으로 생성해 달라고 요청했습니다.

이것은 단백질과 RNA를 포함하는 복잡한 시스템입니다. 우리 생물학자들은 Evo가 생성한 DNA를 분석하여 얼마나 현실적인지, 자연의 것과 유사한지, 단백질이 어떻게 접히는지 등을 연구했습니다. 궁극적으로, 우리는 Evo가 만든 크리스퍼가 DNA를 절단하는 능력을 실제로 실험실에서 구축하여 테스트해야 했습니다. 긴장되는 기다림 끝에, 우리는 Evo가 생성한 크리스퍼가 자연 크리스퍼처럼 정확한 위치에서 DNA 단일 가닥을 두 개로 절단하는 것을 확인했습니다. 바로 그때, 우리는 알았습니다. ‘성공했다!’

여러분은 지금 세계 최초로 AI가 전적으로 설계한 크리스퍼 시스템을 보고 있습니다. Evo는 현실적으로 보일 뿐만 아니라 실제로 기능하는 DNA를 생성했습니다. 다음으로 우리는 ‘전체 게놈 생성’이라는 문샷(Moonshot) 목표에 도전했습니다. Evo는 자연의 것과 유사한 수백 개의 합성 단백질을 게놈 내에서 생성할 수 있었지만, 아직 몇 가지 부분이 빠진, 게놈의 ‘대략적인 스케치’에 가까웠습니다. 하지만 이것은 단지 첫 번째 버전일 뿐입니다. 시간이 지남에 따라 이 스케치는 더욱 상세해질 것이며, 수년 내에 AI가 완전히 기능하는 전체 게놈을 생성할 수 있을 것이라고 예상하고 있습니다. 다시 말해, AI가 새로운 생명을 생성할 수 있게 될 것입니다.

생명 설계 시대로의 전환

이 기술이 발전함에 따라, 생물학은 ‘발견’에서 ‘설계’의 시대로 전환될 것입니다. 어떤 미래가 펼쳐질까요?

맞춤형 의료와 질병 정복

미래에는 진정으로 개인화된 의학이 가능해질 것입니다. Evo와 같은 AI에 자신의 게놈을 입력하여 질병의 원인을 찾고, 약물 반응을 예측하며, 자신의 DNA에 기반한 치료 옵션을 안내받는 것을 상상해 보십시오. 심지어 DNA를 아예 변형하여 영구적인 치료법을 만들 수도 있습니다. 최근 FDA는 겸상 적혈구병에 대한 최초의 유전자 치료법을 승인했으며, 이는 단일 유전자 변경으로 환자를 영구적으로 치료할 수 있습니다. 500개 이상의 DNA 변경 치료법이 승인을 기다리고 있습니다.

자신의 DNA를 변경하는 것이 불편하다면 어떨까요? 새로운 DNA를 추가하는 것은요? 우리의 모든 DNA는 23쌍의 염색체로 구성되어 있습니다. 만약 Evo가 24번째 ‘장’을, 즉 수백 가지 질병에 즉각적으로 맞서 싸울 수 있는 모든 메커니즘을 갖춘 완전히 새로운 염색체를 생성하는 것을 배운다면 어떨까요? DNA 생성으로 가능한 것의 한계는 어디까지일까요?

새로운 생명의 창조와 행성 개척

우리는 모두 영화 ‘쥬라기 공원’을 보며 공상 과학이라고 생각했습니다. 하지만 연구자들은 이제 멸종된 종의 게놈을 재구성하고 있으며, 한 회사는 2028년까지 맘모스를 부활시킬 계획을 세우고 있습니다. 멸종된 종을 되살리는 것을 넘어, 새로운 종을 창조할 수도 있을까요? 연구자들은 현재 화성 식민지화를 위한 미생물을 공학적으로 만들고 있습니다. 우리가 언젠가 다행성 종족이 되기를 원한다면, 화성에서 식물을 재배하고, 더욱 살기 좋게 만들고, 심지어 테라포밍하는 방법을 알아내야 할 것입니다. 지구에는 극심한 환경 조건을 견딜 수 있는 ‘극한 미생물(extremophiles)’이 존재합니다. 이는 충분히 가능합니다.

윤리적 고려와 책임감 있는 혁신

이러한 생각들이 다소 두렵게 들릴 수도 있습니다. 가장 큰 우려 중 하나는 ‘바이오 보안’입니다. 즉, 생물학적 무기를 만들 잠재력입니다. AI가 더 치명적인 바이러스를 생성하는 데 사용될 수 있을까요? 네, 가능합니다. 하지만 AI는 이러한 위협으로부터 방어하고 모니터링하는 데도 사용될 수 있습니다. 따라서 혁신을 옹호하는 것과 안전을 선택하는 것 사이에서 갈등할 수도 있습니다. 저는 이 두 가지를 모두 수용하도록 권하고 싶습니다. 진보를 완전히 멈추는 것은 현실적이지 않다고 생각합니다. 우리는 기술과 함께 진화하고, 그 능력을 모니터링하며, 끊임없이 “우리는 어떤 미래를 가능하게 하는가?”라고 자문해야 합니다.

인류는 항상 우리 주변의 세상을 이해하고자 노력해 왔습니다. 그것은 우리의 본성입니다. 그러나 이해하는 것만으로는 충분하지 않았습니다. 수세기 동안 우리는 생명을 관찰하고 해부하며 연구해 왔습니다. 하지만 이제 우리는 더 이상 생명의 코드를 단순히 읽는 것에 그치지 않습니다. 우리는 이제 그것을 생성할 힘을 갖게 되었습니다. AI와 함께, 우리는 새로운 의학, 과학, 심지어 완전히 새로운 형태의 생명을 해제하는 시작점에 서 있습니다.

우리는 작은 편집을 할까요? 완전히 새로운 장을 쓸까요? 아니면 언젠가 생명 그 자체를 설계할까요? 진정으로 생물학을 이해하기 위해서는, 우리는 생명을 창조해야 합니다. 그리고 생명의 미래는, 우리가 만들어 나갈 것입니다.