Claude는 어떻게 전갈 신경독소에 결합하는 단백질 바인더를 설계했을까

요약: Anthropic은 Claude가 신약 개발을 얼마나 앞당길 수 있는지 실험하는 작업의 하나로, 내부 연구용 모델에 전갈 신경독소를 표적으로 하는 미니바인더(표적에 단단히 달라붙는 작은 단백질)를 설계하게 했습니다. Claude는 금융 투자 리서치 기업 Citrini Research와 함께 만든 프롬프트 하나와 후속 프롬프트 네 개를 바탕으로 작업했습니다. Adaptyv Bio와 Twist Bioscience 팀은 설계 211개의 결합 여부를 실험으로 검증했고, 이 가운데 17개가 기준을 충족했습니다. 211개 설계 전체와 관련 데이터는 이 분야에서 활용할 수 있도록 공개합니다.

지난 8월 저희는 프롬프트 하나만으로 Claude가 단백질 미니바인더를 설계한 사례를 공개했습니다. 그 결과를 발표하기 한 달 전, Citrini Research 팀이 흥미로운 질문을 던졌습니다. Claude(그리고 더 넓게는 AI 신약 개발)가 의욕 있는 비전문가들도 인류 보건의 실제 문제에 도전할 수 있게 해 줄 수 있을까 하는 질문이었습니다. 생명과학 연구팀 구성원들은 이 질문에 답하기 위해 먼저 Claude와 함께 풀 만한 문제를 브레인스토밍했습니다. 그 결과, 언젠가 전갈 항독소 개발에 쓰일 수 있기를 바라며 전갈 신경독소에 결합하는 새로운 단백질 바인더를 설계하는 일을 Claude에게 맡기기로 했습니다.

전갈에 쏘이는 사람은 해마다 120만 명이 넘고, 이 중 3,250명 넘게 목숨을 잃습니다. 대부분 의료 접근성이 낮은 지역의 어린이입니다. 새 치료제는 만드는 데 비용이 많이 들지만 개발비를 회수하기도 어렵습니다. 투자가 이렇게 부족하다 보니 전갈 독 중독은 방치된 열대 질환이라 불리기도 합니다.

먼저 이전 단백질 바인더 연구에서 썼던 프롬프트를 Citrini와 함께 수정해 Claude에게 입력했습니다.¹ 이후 64시간 동안 Claude Science 안에서 작동하는 내부 연구용 모델이 대체로 자율적으로 작업했고, 저희는 후속 프롬프트 네 개로 방향을 잡아 주었습니다. Claude는 저희의 감독 아래 연구 데이터를 분석하고, 그림을 만들고, 최종 보고서 초안까지 작성했습니다.

Claude의 설계 캠페인에서는 사람에게 위험한 것으로 알려진 전갈 신경독소 네 가지 중 하나에 각각 결합하는 단백질 바인더 17개가 나왔습니다. Claude는 이 과정에서 단백질 설계 318,484개를 만들고 그중 180개를 실험 대상으로 골랐습니다. 저희 팀이 Claude의 도움을 받아 31개를 추가했습니다. 위탁 연구 기관(CRO) 두 곳인 Adaptyv Bio와 Twist Bioscience는 설계 211개 전부가 표적 독소에 실제로 결합하는지 실험실에서 검증했고, 17개가 바인더 기준을 충족했습니다. 다만 이 바인더들이 세포 환경에서 전갈 독을 중화하는지는 확인하지 못했으므로, 항독소를 만들었다고 주장하지는 않습니다.

저희는 Claude의 작업 결과를 외부 전문가 두 명, Susana Vázquez Torres와 Timothy P. Jenkins에게 보냈고, 두 사람은 이 연구가 유망한 첫걸음이라고 평가했습니다. AI가 표적 삼기 어려운 여러 독소에 대한 그럴듯한 바인더를 며칠 만에 설계하고 몇 주 안에 실험실에서 검증할 수 있다면, 이론적으로는 독 중독과 기타 소외 질환의 치료제 발굴 속도를 높일 수 있습니다. 관건은 늘 그렇듯 이런 바인더를 안전하고, 저렴하고, 누구나 구할 수 있는 의약품으로 만드는 일입니다.

자세한 내용은 기술 보고서에 담았으며, 설계 211개 전체와 관련 데이터도 공개합니다.

이제는 거의 모든 표적에 대한 바인더를 설계하는 일이 비현실적으로 느껴지지 않습니다. 아주 단단히 결합하는 바인더를 놀랄 만큼 빠르게 얻을 수 있게 되었고, 결합 자체는 더 이상 핵심 병목이 아닙니다. 뱀이나 전갈처럼 물리거나 쏘이면 특히 의료 취약 지역에서 많은 사람이 목숨을 잃거나 심하게 다치는 독 동물의 경우, 실질적인 변화는 결합 이후의 치료제 개발 단계를 해결할 때 나타날 것입니다. 이 놀라운 도구로 안전하고, 저렴하고, 널리 보급할 수 있는, 실제 의약품이 될 수 있는 분자를 만들어 내는 것이 과제입니다.

Susana Vázquez Torres, 박사후 연구원, 스페인 국립암연구센터(CNIO) 구조생물학 프로그램, 스페인 마드리드

전갈 4종의 독소 5가지에 결합하는 de novo 바인더 설계

전갈 독에는 여러 단백질 신경독소가 들어 있습니다. 사람을 해치거나 죽음에 이르게 할 가능성이 가장 큰 신경독소는 나트륨 채널에 달라붙습니다. 나트륨 채널은 신경세포막에 박혀 있으면서 신경이 신호를 보내게 하는 커다란 단백질입니다. 나트륨 채널이 교란되면 신경이 엉뚱한 때에 신호를 보내고, 그 결과 아드레날린 같은 스트레스 물질이 대량으로 분비됩니다. 심하면 심부전과 폐 속 체액 과다 축적으로 이어지고, 때로는 사망에 이르기도 합니다.

전갈 독에 쓸 수 있는 항독소가 일부 있습니다. 대개 면역한 동물의 항체로 만드는데, 이 과정에 몇 달이 걸리기도 합니다. 전갈 수천 마리에서 독을 짜내 말을 면역시키고, 말의 혈액에서 생긴 항체를 정제하는 방식입니다. 기존 항독소는 일찍 투여하면 효과가 있지만, 대개 소수의 신경독소에만 듣습니다. 생산 비용도 비싸서 많은 지역에서 값이 부담스럽거나 공급이 부족합니다.

De novo 설계는 해결책이 될 수 있습니다. 바인더는 특정 표적에 단단히 달라붙는 분자이고, 항체가 대표적인 천연 사례입니다. 원리상 신경독소에서 나트륨 채널에 달라붙는 부위를 표적으로 하는 바인더라면 독소가 채널에 닿지 못하게 막을 수 있습니다. de novo 설계는 특정 표적에 맞춰 단백질 바인더를 처음부터 만들어 내는 방식입니다. 이런 바인더는 컴퓨터로 설계하며, 효력과 안정성 같은 의약품 특성에 맞춰 최적화할 수 있어 전갈 쏘임이 잦은 지역에도 공급하기 더 쉬워질 수 있습니다.

이번 접근법은 뱀 신경독소를 중화하고 생쥐를 보호한 de novo 단백질을 설계한 선행 연구에서 영감을 얻었습니다. 저희가 아는 한, 전갈 신경독소에 대한 de novo 설계 바인더가 보고된 적은 없습니다.

이번 캠페인에서는 네 지역의 전갈 독 신경독소 다섯 가지를 표적으로 골랐습니다. 멕시코(Cn2), 브라질(Ts1), 북아프리카(AaH I, AaH II), 중동(LqhIII)입니다. 설계는 각 독소의 채널 결합 부위를 겨냥하도록 했습니다. Claude는 단백질 데이터 은행(PDB)과 AlphaFold 데이터베이스(AFDB)를 검색해 설계에 쓸 독소 구조를 골랐습니다. 그리고 독소마다 핫스팟 5개를 선정했습니다. 핫스팟은 바인더가 달라붙도록 설계할 독소 위의 특정 아미노산 위치입니다.

저희가 가장 궁금했던 점은 Claude가 개별 독소에 대한 바인더를 설계할 수 있는지였습니다. 하지만 여러 독소를 동시에 겨냥하는 바인더를 설계할 수 있는지도 궁금했습니다. 다중 독소 바인더를 시도하는 데는 현실적인 이유가 있습니다. 범용 항독소 칵테일에 필요한 분자 수를 줄일 수 있고, 그러면 비용 효율이 가장 높고 지역에 구애받지 않는 치료제가 될 수 있기 때문입니다. 저희는 다중 독소 설계에 대한 까다로운 시험으로 이 전갈 독소 다섯 가지(Cn2, Ts1, AaH I, AaH II, LqhIII)를 골랐습니다. 단백질의 전체적인 모양을 이루는 폴드는 같지만, 어느 두 독소를 비교해도 아미노산 서열의 일치율은 26~62%에 불과합니다.

Claude가 어디까지 해낼 수 있는지 보기 위해 네 종류의 바인더를 설계하도록 요청했습니다. 다섯 독소 각각에 대한 개별 바인더, β 계열 독소인 Ts1과 Cn2를 겨냥하는 바인더, α 계열 독소인 AaH II, AaH I, LqhIII를 겨냥하는 바인더, 그리고 다섯 독소를 모두 동시에 겨냥하는 바인더입니다.

독소 다섯 가지에 대한 그럴듯한 바인더를 며칠 만에 동시에 설계했다는 것은 치료제 발굴에서 우리가 목격하고 있는 AI 중심 패러다임 전환을 잘 보여 주는 사례입니다. 특히 상업적 유인이 낮아 혁신에서 거의 소외되어 온 동물 독 중독 같은 소외 질환에서는 더욱 그렇습니다. 동물 독소는 표적 범위가 유난히 넓은데, 이를 에이전트 방식으로 공략할 수 있다면 발굴 속도가 크게 빨라지고 현실적인 치료 해법에도 훨씬 가까워집니다.

Timothy P. Jenkins, 부교수, 덴마크 공과대학교

Claude는 상당한 자율성을 갖고 설계 캠페인을 수행했습니다

처음 입력한 프롬프트에는 신경독소 표적, 단백질 설계 및 폴딩 도구, 신규성·점수화·필터링 규칙을 정의해 두었습니다. 구조와 아미노산 핫스팟을 고르는 것 외에도 Claude는 설계가 통과해야 할 품질 기준을 직접 정했고, 사용할 수 있는 설계 도구를 각각 얼마나 활용할지 결정했으며, 여러 독소를 겨냥하는 바인더의 설계 전략도 직접 세웠습니다.

Claude는 최종적으로 설계 도구 12개로 설계 318,484개를 만들었고, 독소나 알려진 단백질과 비슷한 설계는 걸러 냈습니다. 또한 설계-독소 쌍 553,052개를 공동 폴딩해 각 쌍의 구조를 하나의 복합체로 예측하고 선별했습니다. 최초 프롬프트를 입력하고 64시간이 지났을 때 Claude는 최종 설계 180개의 목록을 내놓았습니다. 이 캠페인에는 GPU 약 10,000시간이 들었습니다.²

Claude는 첫 프롬프트 이후 24시간 동안 자율적으로 작업했습니다. 그 결과가 고무적이어서 Claude에게 캠페인을 이어 가며 더 나은 설계를 찾아보라고 다시 요청했습니다. 후속 프롬프트는 주로 다중 독소 바인더를 설계하도록 유도하는 데 초점을 맞췄습니다. 가장 강력한 바인더(Cn2-B1)를 포함해 180개 설계의 대부분은 세 번째 후속 프롬프트 이후에야 Claude가 선별했습니다. 저희가 요청하자 Claude는 단백질 서열을 Twist Bioscience에 보냈고(Claude가 작성한 이메일임을 밝혔습니다), Twist Bioscience는 이 단백질들이 독소에 얼마나 잘 결합하는지 보기 위해 직접 생산했습니다. 이후 Claude와 함께 설계 31개를 추가해 총 211개가 되었습니다. 구성은 단일 독소 대상 60개(독소당 12개), β 계열 독소 둘을 대상으로 한 30개, α 계열 독소 셋을 대상으로 한 30개, 다섯 독소 모두를 대상으로 한 91개입니다.

저희 팀이 평가한 설계 211개 중 17개가 바인더 기준을 충족했고, 모두 하나의 독소에만 결합했습니다. 여러 독소를 겨냥해 만든 설계 중에는 둘 이상의 독소에 대해 기준을 충족한 것이 하나도 없었습니다. (Claude의 현재 역량 한계 외에도, 프롬프트, 사용 가능한 설계 도구의 한계, 심지어 다중 독소 설계의 생물학적 실현 가능성까지 Claude가 어려움을 겪은 이유로 여러 가지를 생각해 볼 수 있습니다.) Cn2에 결합한 설계는 7개, AaH II는 4개, AaH I은 4개, LqhIII는 2개였습니다. 단일 독소 설계 60개 중에서는 11개(18%)가 바인더였습니다. 이는 저희의 이전 연구를 포함해 일반적인 단백질 설계 캠페인에서 나타나는 비율과 비슷합니다.

실험실에서 Claude의 설계 검증하기

캠페인이 끝난 뒤 설계를 Adaptyv Bio와 Twist Bioscience에 보내 결합 여부를 검증했습니다. 두 기관은 각자 실험실에서 설계를 생산했지만 방식은 달랐습니다. Adaptyv Bio는 살아 있는 세포 대신 세균에서 추출한 단백질 합성 장치를 쓰는 무세포 시스템에서 발현했습니다. Twist Bioscience는 항체의 줄기 부분인 Fc와 융합한 형태로 포유류 세포(여기서는 사람 신장 세포)에서 발현했습니다. 두 방법은 근본적인 결합 과정을 측정하는 상호 보완적인 방식이며, 결과의 신뢰도를 높이기 위해 함께 활용했습니다.

두 실험실 모두 표면 플라즈몬 공명(SPR)으로 결합을 측정했습니다. 설계 위로 독소를 흘려보내면서 SPR 장비로 독소가 얼마나 빨리 결합하고 떨어지는지 실시간으로 추적하는 방법입니다. 이렇게 얻은 센서그램이라는 곡선에서 결합 세기(친화도)를 나타내는 해리 상수(KD)를 구합니다. KD가 낮을수록 결합이 단단합니다.

설계를 평가할 때는 어떤 설계를 특정 독소에 대한 바인더로 분류하는 기준을 엄격하게 세웠습니다. 두 실험실 모두에서 히트여야 하고³, 즉 모든 반복 실험에서 해당 독소에 대한 결합 증거가 나타나야 하며 모든 KD가 1 µM 이하여야 합니다. 또한 비표적 결합, 즉 '끈적임'을 측정하는 데 쓰는 무관한 사람 단백질 CLEC12A에는 신호가 전혀 없어야 한다는 조건도 걸었습니다.

Claude의 Cn2 바인더는 독소를 중화하는 항체와 같은 부위에 결합할 가능성이 높습니다

항체와 나노바디는 de novo 설계가 넘어서야 할 표준으로 남아 있습니다. Cn2 또는 AaH II에 대해 친화도(KD)가 1 nM(나노몰) 미만이라고 보고된 분자가 세 가지 있으며, 이들은 생쥐를 전갈 독소로부터 보호하는 것으로 확인되었습니다.

가장 강력한 바인더 두 개는 Cn2-B1과 Cn2-B2라고 부르며, 멕시코 전갈 Centruroides noxius의 신경독소 Cn2를 표적으로 합니다. 두 바인더는 Adaptyv Bio와 Twist Bioscience 양쪽에서 Cn2에 단단히 결합했고, 친화도(KD)는 한 자릿수 나노몰 범위였습니다.

두 분자(예: 항체와 미니단백질)가 표적의 같은 부위에 결합하는지 알아내는 방법으로 경쟁 실험이 있습니다. 두 바인더가 표적에 동시에 붙을 수 있는지 시험하는 실험입니다. 한 분자가 있을 때 다른 분자의 결합이 줄어들면 두 분자는 같은 결합 부위를 두고 경쟁하는 것일 가능성이 높습니다.

경쟁 실험 결과, 저희의 Cn2 바인더는 생쥐에서 Cn2를 중화한다고 보고된 항체 LR과 같은 에피토프(결합 부위) 또는 그 근처에 붙는 것으로 보입니다. LR의 결합 부위는 Cn2에서 나트륨 채널에 붙어 신경이 오작동하게 만드는 부분을 포함합니다. 가장 강력한 바인더인 Cn2-B1과 Cn2-B2는 세포 환경이나 살아 있는 동물에서는 시험하지 않았지만, LR과 경쟁한다는 사실은 이들이 Cn2를 중화할 가능성이 높다는 것을 시사합니다.

바인더는 항독소 개발의 첫 단계일 뿐입니다

이번 결과는 재조합 독소, 즉 독에서 정제한 것이 아니라 각 독소의 유전자로 실험실에서 만든 독소에 대한 결합만 보여 줍니다. 이 연구의 가장 큰 한계는 두 가지입니다. 어떤 설계도 in vitro(실험실에서 키운 세포 대상) 중화 시험을 하지 않았고, in vivo(생쥐 같은 살아 있는 동물) 효능 시험도 하지 않았습니다.

설계 중 하나를 치료제 개발 단계로 진전시킨다면 Cn2-B1이 가장 유력한 후보 중 하나일 것입니다. 하지만 먼저 이 설계가 독에서 정제한 독소에도 결합하는지 확인해야 합니다. 그다음 패치클램프 기록(나트륨 채널을 통과하는 전류를 측정할 수 있는 방법)으로 in vitro 기능을 평가해, 독소가 채널에 작용하는 것을 실제로 막는지 살펴보아야 합니다. 이후 생쥐에서 바인더를 시험해 실제로 보호 효과가 있는지 확인해야 합니다. 치료제가 되려면 독소를 중화하는 것 외에도 안전하고, 안정적이고, 저렴하며, 쏘임 사고가 일어나는 곳에서 구할 수 있어야 합니다. 환자에게 닿으려면 임상의, 자금 지원 기관, 정책 입안자의 협력도 필요합니다.

다른 연구자들이 저희 연구를 토대로 발전시킬 수 있도록 설계 211개 전체와 결합 데이터를 공개합니다. Claude의 역량을 보여 주는 이번 사례와 공개 데이터가 항독소 설계 연구를 가속하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

더 읽어 보기

다음 자료에서 위에서 설명한 결과에 대한 더 깊은 기술적 내용과 자세한 정보를 볼 수 있습니다.

• 기술 보고서
• 데이터 공개: 설계 211개 전체, 예측 구조와 점수, 실험 데이터
• 단백질 설계 및 생체 분자 모델링 고도화에 관한 이전 게시물