마이크로소프트 연구소, 생물학 복합 연구를 위한 AI 시스템 '콰인' 공개

생물학 멀티모달 시스템의 공개

마이크로소프트 연구소는 생물학의 다양한 척도와 데이터 양식을 통합하여 다루는 인공지능 연구 시스템인 '콰인(Quine)'을 공개했다. 콰인은 생물학적 시스템의 상태를 표현하고 외부 개입에 따른 전개 과정을 다단계로 추론하는 월드 모델과, 이를 문헌, 분석 도구, 실험실 환경과 연결하는 상호작용 하네스로 구성된다. 연구진은 단일 과제 중심의 기존 특화 인공지능 모델들이 지닌 분절적 한계를 극복하고 과학 연구의 반복적 발견 주기를 가속하기 위해 이 시스템을 개발했다.

생물학은 분자에서 세포, 조직, 개체로 이어지는 인과 경로가 물리적 척도 전반에 걸쳐 유기적으로 연결되어 있어 기존의 습식 실험만으로는 광대한 조합 공간을 모두 탐색하기 어렵다. 최근 대규모 기계학습과 다단계 추론 모델이 발전하면서 언어 모델링 기법을 복잡한 생물학적 시스템 표현 학습에 응용할 수 있는 기술적 토대가 마련되었다. 마이크로소프트 연구소는 지난 20여 년간 유전체학, 면역학, 단백질 공학, 생체 영상 분야에서 축적한 연구 경험을 바탕으로 실험실 자원을 투입하기 전에 유망한 가설을 계산적으로 선별하는 체계를 기획했다.

통합 표현과 가설 검증 체계

콰인의 핵심인 생물학 월드 모델은 서열, 3차원 구조, 생체 기능, 세포 상태, 생체 영상 등 다양한 데이터 양식을 단일 체계에서 공동 학습한다. 유전체, 단백질, 화학물질, 리보핵산(RNA) 정보가 중첩되는 영역을 함께 학습함으로써 특정 양식에서 획득한 증거가 다른 양식의 상태 예측으로 자연스럽게 이어지도록 설계했다. 이는 개별 영역별로 분리된 전문가 모델을 단순히 조합하는 방식과 달리, 척도 간 맥락을 보존하여 복합적인 생물학적 추론 과제에서 한층 견고한 일반화 성능을 제공한다.

시스템의 또 다른 축인 대화형 하네스는 월드 모델을 연구 조율 모델, 과학 문헌 데이터베이스, 분석 도구, 그리고 습식 실험실과 연구 인력에 연결한다. 연구자가 제기한 과학적 질문은 시스템 내부에서 일련의 후보 제안으로 구체화되며, 계산 분석을 거쳐 실험실에서 검증할 가치가 높은 설계안으로 정제된다. 실험실에서 측정된 결과는 다시 시스템으로 유입되어 다음 질문의 정밀도를 높이고 모델 자체를 개선하는 훈련 신호로 환류되는 연속적인 순환 구조를 이룬다.

췌장암 세포 상태 전환 실증

하버드 대학교와 매사추세츠공과대학교(MIT)의 브로드 연구소와의 공동 연구에서는 대표적 난치암인 췌장관 선암종(PDAC) 환자 유래 생체 외 모델을 대상으로 시스템의 실효성을 검증했다. 연구진은 암세포의 치료 반응이 유전적 변이뿐만 아니라 전사 세포 상태에도 영향을 받는다는 가설을 검증하기 위해, 세포 상태 전환을 유도할 수 있는 수천 개의 화합물 후보를 콰인으로 탐색하고 우선순위를 매겼다. 고전적 상태에서 기저 상태로의 세포 전이를 유도하는 습식 실험 결과, 콰인이 최상위로 추천한 화합물들이 다중 분석 시험 전반에서 가장 뚜렷한 표적 전이 효과를 나타냈다.

화합물 검색 범위를 좁히고 유망 후보 물질을 선별해 실험실 검증으로 연결하는 전체 계산 과정은 단 주말 이틀 만에 완료되어 수개월의 실험 기간과 연구 비용을 절감했다. 특히 상위 후보 물질 중 일부는 기존에 알려지지 않은 뜻밖의 작용 기전을 지닌 것으로 확인되어 인공지능 기반 약물 재창출의 가능성을 보여주었다. 또한 기저 상태에서 고전 상태로의 역방향 전이가 상대적으로 어려울 것이라는 예측이 실험으로 입증되었을 뿐만 아니라, 세포가 제3의 독자적인 표현형으로 이동한다는 모델의 예측도 실험실에서 확인되어 췌장암 세포 상태 지형에 대한 새로운 과학적 가설을 제시했다.

연구 생태계 개방과 사용 제약

마이크로소프트는 콰인의 개발 과정을 폐쇄적으로 유지하지 않고 과학계 전반과 협력하기 위해 '콰인 펠로우(Quine Fellows)' 프로그램을 개설하고 첫 코호트 참가자 모집을 시작했다. 최전선에서 연구하는 과학자들에게 시스템 접근 권한을 부여해 각자의 연구를 가속하도록 돕고, 실제 연구 현장의 피드백을 수집하여 시스템을 점진적으로 발전시킨다는 구상이다. 연구진은 책임 있는 인공지능 개발 원칙에 따라 초기 배포를 펠로우십과 일부 선별된 연구 협력으로 제한하며, 향후 기술 성숙도에 맞춰 마이크로소프트 디스커버리(Microsoft Discovery) 등의 제품군으로 지원 범위를 넓혀갈 예정이다.

원문이 밝힌 바에 따르면 콰인은 순수 연구 목적으로 개발된 실험적 기술이며 의료 행위나 임상 진단에는 사용할 수 없다. 시스템이 생성하는 예측 결과는 불완전하거나 부정확할 가능성이 존재하므로 자격을 갖춘 연구자의 전문적인 검토와 습식 실험을 통한 엄밀한 과학적 검증이 반드시 수반되어야 한다. 연구진은 월드 모델이 현실의 복잡한 생물학을 완전히 대체하거나 완벽히 모사할 수는 없다는 점을 강조하며, 이 시스템의 진정한 역할은 실험 자체를 없애는 것이 아니라 연구 자원을 투입하기 전 유망한 탐색 경로를 효과적으로 좁혀주는 데 있다고 한계를 명시했다.