화학자처럼 생각하고 화학반응 예측하는 AI 나왔다

KAIST 정유성 교수 연구팀

KAIST 제공

KAIST는 정유성 생명화학공학과 교수 연구팀이 화학자처럼 생각하고 유기 화학반응을 정확히 예측하는 인공지능(AI)을 개발했다고 4일 밝혔다.

화학자는 반응물을 보고 유기 화학 반응의 결과를 예상해 약물이나 유기발광다이오드(OLED)와 같이 원하는 물성을 갖는 분자를 합성한다. 하지만 실험을 통해 화학 반응의 생성물을 직접 확인하는 작업은 일반적으로 시간과 비용이 많이 소모된다. 게다가 유기 화학 반응은 같은 반응물에서 다양한 생성물이 생길 수 있어 숙련된 유기 화학자라도 모든 화학반응을 정확하게 예측하지 못한다.

이런 한계를 극복하기 위해 AI를 이용해 유기 반응을 예측하는 연구가 활발하게 이뤄지고 있지만 뚜렷한 결과물은 나오지 않았다. 기존 연구들은 반응물과 생성물을 서로 다른 두 개의 언어로 생각하고 한 언어에서 다른 언어로 번역하는 언어 번역 모델을 사용하는 방법에 주목했다. 이 방법은 예측 정확도는 높지만 AI가 화학을 이해하고 생성물을 예측했다고 해석하기 어려워 모델이 예측한 결과를 신뢰할 수 없다는 단점이 있다.

정 교수팀이 이번에 개발한 AI는 화학자가 반응 결과를 예측하는 과정을 본따 만들었다. 이 AI는 반응 중심을 파악한 뒤 화학반응 규칙을 적용해 가능한 생성물을 예측하는 식으로 화학반응 규칙을 도출한다. 이어 화학반응 규칙을 바탕으로 분자의 화학 반응성을 예측한다. 이 과정에선 분자를 그래프로 취급하는 그래프 신경망(GNN) 모델을 활용한다.

예측 정확도도 높은 것으로 나타났다. 화학반응에서 널리 사용되는 미국 특허무역청(USPTO) 데이터를 이용해 유기 반응을 90% 이상의 정확도로 예측하는 데 성공했다. 또한 무작위로 추출된 유기 반응을 소규모의 합성 전문가보다 더 정확하게 예측하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 “이번 연구를 활용하면 분자 설계 과정이 비약적으로 빨라질 것으로 기대된다”며 “새로운 화합물 개발에 실용적으로 응용할 수 있으며 관련 기술은 현재 특허 출원을 준비 중”이라고 말했다. 관련 연구는 국제학술지 ‘네이처머신인텔리전스’ 9월호 표지 논문으로 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]