AI 단백질에 워터마크…딥마인드, 출처 식별 기술 공개

구글 딥마인드가 인공지능(AI)으로 설계한 단백질의 출처를 식별하는 워터마크 기술을 공개했다. 단백질 아미노산 서열과 3차원 구조에 신호를 넣어 실제 합성된 단백질에서도 AI 설계 여부를 확인하는 방식이다.

구글 딥마인드 연구진은 9월 30일 네이처 논문에서 ‘SynthID Bio’를 소개했다. 구글 딥마인드는 같은 날 공식 발표문을 통해 이 기술이 디지털 모델뿐 아니라 실험실에서 합성된 실제 단백질에도 확인 가능한 신호를 남기는 것을 목표로 한다고 밝혔다.

SynthID Bio는 단백질 데이터의 형태에 따라 두 가지 방식으로 작동한다. 서열에는 ProteinMPNN이 아미노산을 선택하는 과정에 워터마크 신호를 반영하고, 기능을 유지할 가능성이 있는 후보 가운데 신호에 맞는 아미노산을 우선 선택한다.

워터마크 신호는 단백질 전체 서열에 통계적으로 분산된다. 탐지자는 비밀 키를 이용해 워터마크 후보 아미노산이 전체 서열에 얼마나 자주 나타나는지 계산하는 방식으로 출처 여부를 판정한다.

3차원 구조에는 AlphaFold 3의 확산 모델 일부를 미세 조정해 예측된 원자 좌표에 워터마크를 삽입한다. 구글 딥마인드는 구조 예측 정확도를 유지하면서도 워터마크 탐지 성능을 확보했다고 설명했다.

기능 보존 여부는 VEGF-A, SARS-CoV-2 스파이크 단백질 수용체 결합 도메인, PD-L1을 대상으로 검증했다. 구글 딥마인드는 워터마크를 넣은 단백질이 워터마크가 없는 단백질과 비교해 결합 성공률, 결합 친화도, 서열 다양성에서 비슷한 결과를 보였다고 밝혔다.

AI 단백질 설계 도구는 기존 자연 단백질 데이터베이스와 유사성이 낮은 새로운 서열을 만들 수 있다. 이 때문에 DNA 합성업체가 알려진 위험 서열과의 유사성만으로 안전성을 판단하기 어려울 수 있다는 문제가 제기돼 왔다.

구글 딥마인드는 DNA 합성업체가 낯선 단백질 서열을 심사할 때 SynthID Bio를 보조 신호로 활용할 수 있다고 설명했다. Protein Data Bank, UniProt, GenBank 같은 생물학 데이터베이스에 제출되는 합성 단백질의 출처를 표시하거나 추가 검토 대상으로 분류하는 데도 사용할 수 있다는 설명이다.

사라 카터(Sarah Carter) Science Policy Consulting Principal은 “생물학적 설계의 출처를 추적하는 중요한 조각”이라며 “DNA 합성업체가 해당 모델을 사용한 고객의 서열을 더 효율적으로 심사하는 데 도움이 될 수 있다”고 말했다. 워터마크가 단백질 설계 도구와 합성업체 사이의 출처 확인 절차를 보완할 수 있다는 의미다.

제임스 디건스(James Diggans) Twist Bioscience Vice President, Policy and Biosecurity는 워터마크가 바이오보안 도구를 보강하고 추가 검토가 필요한 서열에 자원을 집중하는 데 도움이 될 수 있다고 말했다. 다만 이 발언은 워터마크가 기존 심사 체계를 대체한다는 뜻은 아니다.

SynthID Bio는 단백질의 안전성이나 무해성을 증명하는 기술이 아니다. 워터마크는 출처 식별을 위한 신호일 뿐이며, 실제 위험성 판단에는 별도의 생물학적 검토가 필요하다.

짧은 단백질은 신호가 충분히 쌓이지 않아 식별이 어려울 수 있다. 다른 자연 단백질과 결합해 서열을 길게 만들면 워터마크가 희석될 가능성도 있으며, 통계적 판정 과정에서 오탐과 미탐이 발생할 수 있다.

워터마크의 보안성은 비밀 키를 생성·배포·보관하는 체계에도 좌우된다. 키가 유출되면 출처 위조나 탐지 체계 교란으로 이어질 가능성이 있다.

이번 방식이 ProteinMPNN과 다른 방식으로 작동하는 AI 단백질 설계 도구에 즉시 적용되는지는 제시되지 않았다. 치료제, 산업용 효소, 독성 단백질 등 더 넓은 단백질 영역에서 기능 보존과 탐지 성능이 유지되는지도 추가 검증이 필요하다.

구글 딥마인드는 SynthID Bio를 바이오보안의 단일 해법이 아니라 여러 방어 수단 가운데 하나로 설명했다. 코드와 시험관 내 검증 데이터, 연구용 모델 가중치를 공개한다고 밝혔지만 실제 배포 범위와 일정은 별도로 제시되지 않았다.