Geroprotective drug discovery with an AI-enabled assay for heat resistance

우리가 비디오 게임에서 '일시 정지' 버튼을 누르는 것처럼, 단순히 서서히 사라지는 것이 아니라 실제로 노화의 속도를 늦출 수 있는 과정을 조절할 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 과학자들은 오랫동안 노화가 유연하며, 결코 돌에 새겨진 것처럼 고정된 것이 아니라는 사실을 알고 있었습니다. 그들은 C. elegans라고 불리는 아주 작은 벌레들이 유전자를 조절하거나 특정 화학 물질을 섭취했을 때 훨씬 더 오래 살 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 아이디어는 '제로사이언스(geroscience)'의 핵심입니다. 즉, 노화라는 근본 원인을 치료한다면 심장 질환이나 당뇨병 같은 수많은 질병을 동시에 예방할 수 있을 것이라는 믿음입니다. 큰 질문은 이것입니다. 어떻게 하면 올바른 '일시 정지' 버튼 역할을 할 약물을 찾을 수 있을까요? 보통 이런 약물을 테스트하는 데는 엄청난 시간이 걸립니다. 벌레가 생애 전체를 살아가는 과정을 지켜봐야 하며, 이는 몇 주가 걸릴 수도 있습니다. 또한, 마치 매우 인내심 강하지만 지친 동물 사육사처럼 하나하나 수동으로 확인해야 합니다. 이는 느리고, 지루하며, 수천 개의 약물을 한꺼번에 처리하기에는 매우 어려운 일입니다.

이때 연구진은 컴퓨터에게 인간보다 더 나은 사육사가 되도록 가르쳐서 속도를 높이기로 결в습니다. 그들은 벌레를 관찰하고, 신체 형태를 분석함으로써 벌레가 살아있는 건강한 상태인지, 아니면 숨이 끊어졌는지를 즉각적으로 판단할 수 있는 스마트한 AI 기반 시스템을 구축했습니다. 벌레가 장수하는 것을 보기 위해 몇 주를 기다리는 대신, 그들은 벌레들에게 '열파(heat wave)'라는 도전 과제를 던졌습니다. 만약 어떤 약물이 벌레를 열에 더 강하게 만든다면, 그 벌 l레는 높은 점수를 받게 됩니다. 실제로 열파를 견뎌낸 벌레들은 대개 더 긴 수명을 누린다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 '열 테스트'와 초고속 AI 카메라를 사용하여, 그들은 단 며칠 만에 거의 3,000개의 서로 다른 약물을 스크리닝했습니다. 그들은 벌레를 열에 강하게 만드는 31개의 약물을 찾아냈으며, 이 승리자들을 더 긴 테스트에서 확인했을 때 18개가 실제로 벌레의 수명을 연장했습니다. 더욱 놀라운 점은, 일부 약물들이 배양 접시 안의 인간 세포를 젊고 건강하게 유지하는 데도 도움이 되었다는 것입니다. 이것은 마치 아주 작은 벌레부터 인간에 이르기까지 두 종 사이에서 작동하는 노화의 지름길을 찾아내는 것과 같으며, 학교 점심시간이 끝나기도 전에 이 모든 일을 해낸 것입니다.

벌레의 운동과 로봇 심판

노화 연구를 자동차에 완벽한 연료를 찾는 과정이라고 생각해 보십시오. 여러분은 어떤 연료가 엔진을 더 오래, 더 부드럽게 달리게 하는지 알고 싶어 합니다. 오랫동안 과학자들은 자동차를 몇 달 동안 운전해 보며 얼마나 멀리 가는지 지켜보는 방식으로 이를 테스트해 왔습니다. 하지만 이는 너무 오래 걸립니다. 연구진은 이와 다른 접근 방식을 시도했습니다. 긴 도로 여행 대신, 자동차에게 갑작스럽고 강렬한 '언덕 오르기'를 시킨 것입니다. 만약 자동차가 가파르고 뜨거운 언덕을 멈추지 않고 올라갈 수 있다면, 그 자동차는 아마도 오래 지속될 수 있는 튼튼한 자동차일 것입니다.

벌레의 세계에서 이 '언덕 오르기'는 바로 '열 충격(heat shock)'입니다. 과학자들은 작은 벌레들을 데려와 11시간 동안 35°C(95°F)의 열파에 노ole렸습니다. 일반적인 벌레라면 대부분 죽거나 매우 병들 것입니다. 하지만 만약 벌레가 자신을 더 강하게 만드는 특별한 약물을 복용했다면, 열을 견뎌내고 다시 회복할 것입니다. 까다로운 부분은 누가 살아남았는지 세는 일이었습니다. 보통 사람들은 벌레가 움직이는지 확인하기 위해 바늘로 찌르거나 빛을 비춰야 합니다. 이는 느리고 피곤한 일입니다.

이를 해결하기 위해 팀은 AI '로봇 심판'을 만들었습니다. 그들은 컴퓨터에게 사진을 보고 벌레의 자세를 통해 살아있는지 죽었는지를 추측하도록 가르쳤습니다. 살아있는 벌레는 뱀이 춤을 추듯 구불구불하고 휘어져 있습니다. 죽은 벌레는 막대기처럼 뻣뻣하고 곧게 펴져 있습니다. 컴퓨터는 이 차이를 즉각적으로 포착하는 법을 배웠습니다. 그들은 이를 '셰이프스코어(ShapeScore)'라고 불렀습니다. 이는 마치 스포츠 경기에서 심판이 선수에게 물어볼 필요 없이, 선수가 여전히 경기를 하고 있는지 아니면 쓰러졌는지를 순식간에 판별하는 것과 같습니다.

위대한 약물 탐사

로봇 심판이 준비되자, 팀은 거대한 보물 찾기에 나섰습니다. 그들은 이미 다른 용도(항생제나 심장 약 등)로 FDA 승인을 받은 2,782개의 약물 라이브러리를 가져와 다음과 같이 물었습니다. "이 중 어떤 것이 벌레를 열에 강하게 만드는가?" 그들은 벌레를 96웰 플레이트(벌레를 위한 작은 계란 판이라고 생각하면 됩니다)에 넣고, 약물을 추가한 뒤 열을 가했습니다.

AI는 모든 웰의 사진을 찍고 각 웰에 대한 점수를 계산했습니다. 첫 번째 라운드 후, 그들은 유망해 보이는 130개의 약물을 찾아냈습니다. 하지만 확실히 하기 위해 테스트를 다시 수행했습니다. 이번에는 오직 31개의 약물만이 테스트를 두 번 통과했습니다. 이들이 바로 '슈퍼 생존자'였습니다.

벌레에서 인간으로

팀은 거기서 멈추지 않았습니다. 그들은 이 약물들이 단순히 열파에서 살아남는 것을 넘어, 실제로 벌레를 더 오래 살게 하는지 알고 싶었습니다. 그들은 31개의 승리자들에게 장수 테스트를 실시했습니다. 그 결과 18개의 약물이 성공적으로 벌레의 수명을 연장했습니다. 일부 약물은 뜻밖의 것이었습니다. 예를 들어, 특정 항생제(세프트리아손과 티게사이클린 같은)와 심지어 간질이나 고혈압에 사용되는 일부 약물들이 벌레를 더 오래 살게 할 수 있다는 것을 발견했습니다.

하지만 가장 흥식한 부분은 이 약물들이 인간에게도 효과가 있는지 확인하는 것이었습니다. 그들은 상위 6개의 약물을 가져와 늙고 지친 상태(세포 노화 상태)에 있는 인간 세포에 테스트했습니다. 그 결과, 클레미졸(clemizole), 이사드립(isradipine), 피페라실린(piperacillin)이라는 세 가지 약물이 인간 세포를 죽이지 않으면서도 더 젊게 보이게 하고 젊게 기능하도록 도울 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 이 약물들의 '마법'이 작은 벌레부터 인간에 이르기까지 서로 다른 종 사이에서도 작동할 수 있음을 시사합니다.

이것이 중요한 이유

이 이야기의 가장 좋은 점은 속도입니다. 전통적인 벌레 노화 테스트는 몇 주가 걸립니다. AI 심판과 열 도전 과제를 결합한 이 새로운 방법은 단 이틀 만에 그 일을 해냅니다. 이는 영화를 슬로우 모션으로 보는 것에서, 결말을 보기 위해 빨리 감기를 하는 것으로 전환하는 것과 같습니다. 연구진은 이 작업을 수행하는 데 화려하고 비싼 기계가 필요하지 않으며, 표준 현미경과 영리한 소프트웨어만 있으면 충분하다는 것을 보여주었습니다.

그들이 이 약물들이 내일 당장 인간의 노화를 멈출 것이라고 증명한 것은 아니지만, 후보군을 찾는 강력한 새로운 방법을 제시했습니다. 그들은 벌레에서 작동하면서 동시에 인간 세포에도 도움이 되는 약물을 찾아냈으며, 이는 이 약물들이 더 연구할 가치가 있다는 거대한 힌트입니다. 이는 때때로 노화와 같은 크고 느린 문제를 해결하는 열쇠는, 먼저 더 단순하고 빠른 질문을 던지는 것임을 상기시켜 줍니다. "열을 견딜 수 있는가?"라고 말이죠. 그리고 로봇 심판 덕분에, 이제 우리는 수천 개의 약물에 대해 그 질문을 동시에 던질 수 있게 되었습니다.