미생물 성장의 핵심 대사반응(metabolic reaction)을 규명할 수 있는 인공지능 기술이 개발됐다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 윤성호 교수(건국대학교) 연구팀이 인공지능과 가상세포 기술을 활용하여 다양한 영양 조건에서 미생물 성장을 촉진하거나 저해하는 대사반응을 규명했다고 14일 밝혔다.

미생물은 주어진 영양분을 효율적으로 이용하기 위해 세포 내 대사과정을 정밀하게 조정함으로써 최적의 세포 성장을 유지한다. 이러한 세포의 대사과정을 이해하기 위해서는 성장을 촉진하거나 저해하는 대사 유전자 및 경로를 식별하는 것이 중요하다.

그러나 수 천 개의 유전자, mRNA, 단백질, 대사물질들이 서로 복잡하게 얽혀 있는 미생물 시스템 내에서 세포 성장에 직접적으로 영향을 미치는 대사반응을 실험적으로 규명하는 것은 많은 시간과 자원을 필요로 한다.

연구팀은 가상세포로부터 예측된 대사반응 데이터와 다양한 성장 데이터를 통합 분석하는 머신러닝 및 딥러닝 모델을 개발, 연구에 널리 쓰이는 모델 미생물인 대장균 K-12를 대상으로 30가지 주요 영양조건에서의 균주 성장에 중요 또는 저해되는 대사경로를 도출했다.

그 결과, 생합성 경로는 대부분의 탄소원에서 성장을 촉진하지만, 에너지 생성 경로의 중요도는 탄소원에 따라 달라진다는 것을 확인했다. 또한, 예측된 주요 대사반응은 유전자 조작 실험과 배양실험을 통해 검증했다. 예를 들어 대장균이 아세트산을 탄소원으로 이용할 경우 피루브산 산화과정*이 균체 성장을 저해한다고 예측되었으며, 실제로 이를 차단하면 성장이 촉진됐다.

이번 연구성과에 대해 윤성호 교수는 “유전체 설계를 통한 맞춤형 미생물 제작 및 최적의 생산 전략 수립에 중요하게 이용될 수 있다”며 “향후 다양한 생명현상 연구에 확대 적용될 수 있으리라 기대된다”고 밝혔다.

제 1저자인 우현재 석사과정생은 “가상세포 기반 예측 데이터와 대량의 실험데이터를 통합 분석하는데 인공지능 기법이 효율적으로 이용될 수 있음을 증명했다”고 덧붙였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업 중견연구와 기본연구의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 시스템생물학 분야 국제학술지 ‘몰레큘러 시스템즈 바이올로지(Molecular Systems Biology)’에 1월 30일 온라인 게재됐다.

[전국매일신문] 대전/ 정은모기자
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