바이오엔테크와 인스타딥, 고위험 SARS-CoV-2 변이 탐지 시스템 개발
바이오엔테크와 인스타딥은 전 세계에서 이용 가능한 염기서열 분석 데이터를 분석해 고위험 SARS-CoV-2 변이를 예측하는 새로운 계산 방법을 개발했다고 발표했다.
바이오엔테크 및 인스타딥과 협력해 개발된 조기 경보 시스템(EWS)은 인공지능이 산출한 면역 회피 및 적합도 지표를 기반으로 한다.
새로운 방법은 바이러스 스파이크 단백질의 구조 모델링과 인공지능 알고리즘을 결합해, SARS-CoV-2 염기서열 데이터 저장소에 등록된 잠재적 고위험 변이를 하루도 안 되어 빠르게 표시한다. 이때 적합도 지표와 면역 반응 회피 특성을 기준으로 평가한다.
두 회사는 자체적으로 생산한 실험 데이터와 공개 데이터를 사용해 이러한 예측을 검증했다.
시험 기간 동안 시스템은 세계보건기구(WHO)가 평균 두 달 만에 지정한 변이의 90% 이상을 식별했다:
- 우려 변이(VOC)
- 관심 변이(VOI)
- 감시 변이(VUM)
WHO가 지정한 알파, 베타, 감마, 세타, 에타, 오미크론 변이는 염기서열이 처음 업로드된 바로 그 주에 EWS에 의해 탐지되었다.
오미크론 변이는 염기서열이 공개된 당일 고위험 변이로 분류되었다. 프랑스에서 관찰된 IHU 변이도 EWS로 평가되었는데, 면역 회피 특성은 오미크론과 상대적으로 유사하지만 적합도는 훨씬 낮아 현재 데이터 기준으로는 덜 위험한 것으로 나타났다.
연구 결과는 EWS가 몇 분 안에 새로운 변이를 평가하고 거의 실시간으로 변이 계통을 추적할 수 있음을 보여준다. 또한 새로운 변이 데이터가 등장함에 따라 완전히 확장 가능하다.
“지난 몇 달간 개발해 온 첨단 계산 방법 덕분에, 우리는 스파이크 단백질 염기서열 정보를 분석하고 새로운 변이를 예측된 면역 반응 회피 정도와 ACE2 결합 지표에 따라 순위를 매길 수 있습니다. 잠재적 고위험 변이를 조기에 발견하면 연구자, 백신 개발자, 보건 기관, 정책 입안자에게 효과적인 경고 도구가 되어, 새로운 우려 변이에 대응할 시간을 더 확보할 수 있습니다”
조기 경보 시스템은 두 가지 접근법에 기반한다. 하나는 바이러스 스파이크 단백질의 수용체 결합 도메인(RBD)과 숙주 세포 수용체의 상호작용을 구조적으로 모델링하고 변이가 면역 반응 회피에 미치는 영향을 평가하는 것이고, 다른 하나는 글로벌 염기서열 저장소에 등록된 수십만 개의 바이러스 변이 정보를 추출하는 AI 기반 예측 모델링이다.
EWS는 면역 회피 점수와 예비 적합도 점수(전파 잠재력)를 계산한다. 면역 회피 지표만으로도 이미 높은 예측력을 가진 위험 요인이지만, 두 지표를 파레토 지표로 통합하면 해당 바이러스 변이의 위험을 가장 잘 추정할 수 있다.
점수가 높을수록 해당 변종이 글로벌 건강에 영향을 미칠 위험이 커진다. EWS 접근법은 기존 데이터만을 기반으로 면역 반응 회피 능력과 적합도 잠재력에 따라 SARS-CoV-2 변이의 순위를 매기며, 따라서 지켜보기 방식에 의존하지 않는다.
“현재 매주 1만 개 이상의 새로운 변이 염기서열이 발견되고 있어, 전문가들이 이 규모의 복잡한 데이터를 직접 처리하기는 불가능합니다. 우리는 인스타딥의 DeepChain 플랫폼이 가진 강력한 인공지능 역량을 바이오엔테크의 SARS-CoV-2 관련 기술과 결합해 이 문제를 해결했습니다. 처음으로 고위험 변이를 현장에서 탐지할 수 있게 되었으며, 이는 소중한 시간을 몇 달이나 절약할 수 있습니다. 연구 성과를 공개하게 되어 기쁘며, 무엇보다 실제 세계에 미치는 영향이 계속되기를 바랍니다”
EWS는 11개월의 기간 동안 WHO가 지정한 변이와 지정되지 않은 변이를 구별할 수 있었으며, 이는 변이의 기원을 판단하는 계산 모델의 실효성을 보여준다.
2020년 9월 16일부터 2021년 11월 23일까지 매주 실시된 분석에서는 WHO가 지정한 13개 변이 중 12개를 식별했으며, 변이가 공식 명칭을 받기 전 평균 58일 앞서 탐지했다.
알파부터 뮤까지의 변이는 EWS가 표시한 시점에 평균 약 25건의 사례만 보고되어 있었다. 이는 WHO가 발표한 시점에 1,500건 이상의 감염 사례가 보고되어 있던 것과 대조적이다. EWS는 2021년 10월 초부터 11월 말까지 발견된 70,000개 이상의 변이 중 오미크론을, 염기서열이 처음 업로드된 날 면역 회피 수준이 가장 높은 변이로 식별했으며, 적합도 점수도 높게 부여했다.
Biopharmaceutical New Technologies는 암 및 기타 중증 질환을 위한 새로운 치료법을 개발하는 차세대 면역요법 기업입니다. 이 회사는 다양한 컴퓨터 기반 발견 기술과 치료 플랫폼을 활용해 새로운 바이오의약품을 신속하게 개발합니다.
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mRNA 백신 개발에 대한 깊은 경험과 자체 생산 역량을 바탕으로, 바이오엔테크와 그 직원들은 다양한 암 치료제와 함께 여러 감염병을 위한 mRNA 백신 후보를 개발하고 있다.
2014년 설립된 인스타딥은 현재 EMEA 지역에서 기업용 의사결정 인공지능 제품 분야의 선도 기업으로, 본사는 런던에 있고 파리, 튀니스, 라고스, 두바이, 케이프타운에 사무소가 있다.
GPU 가속 컴퓨팅, 딥러닝, 강화학습 분야의 폭넓은 노하우를 활용해, 인스타딥은 복잡한 과제를 해결하는 단백질 설계 플랫폼 DeepChainTM 등 다양한 산업의 제품을 만들었다.
인스타딥은 Google DeepMind, Nvidia, Intel 등 인공지능 생태계의 글로벌 리더들과도 협력하고 있다. 이 회사는 Intel AI Builders 프로그램에 참여 중이며 Nvidia로부터 엘리트 파트너 지위를 얻었다. 인스타딥은 최근 CB Insights가 선정한 세계 100대 유망 인공지능 스타트업에 2년 연속 이름을 올렸다.
