AI 로봇 과학자와 협업해 130년 된 화학반응서 '새로운 길' 찾았다

IBS

인공지능 로봇을 이용해 130년 된 화학반응의 새로운 가능성을 찾은 연구가 나왔다. ChatGPT 생성 이미지

하루 최대 1000건의 화학실험을 수행하고 분석하는 인공지능(AI) 로봇이 1891년부터 산업계에서 활용된 화학반응의 새로운 가능성을 찾았다.

바르토슈 그쥐보브스키 기초과학연구원(IBS) 인공지능 및 로봇 합성 연구단장이 이끈 연구팀은 자체 개발한 AI 로봇 플랫폼 '로보스키(Robowski)'를 이용해 ‘비기넬리 반응(Biginelli reaction)’에서 기존과 전혀 다른 반응 경로를 발견했다고 15일 밝혔다. 연구결과는 7월 2일 국제학술지 '네이처 신세시스'에 발표됐다.

연구팀은 로보스키의 발견을 토대로 복잡한 다중 고리 구조의 새로운 화합물을 합성하는 데에도 성공했다.

로보스키를 활용한 연구의 개요. IBS 제공

비기넬리 반응은 1891년 이탈리아의 화학자 피에트로 비기넬리가 처음 발견한 화학반응이다. 알데하이드, β-케토에스테르, 우레아를 한 번에 반응시켜 디히드로피리미디논(DHP·Mdihydropyrimidinone) 유도체를 합성하는 대표적인 다성분 축합 반응으로 꼽힌다. 비기넬리 반응은 제약, 재료과학, 친환경 유기합성 등 분야에서 널리 활용된다. 

화학반응은 흔히 ‘A와 B가 반응해 C를 만든다’와 같은 단순한 방정식으로 표현한다. 실제로는 농도와 온도, 반응 시간 등 다양한 조건에 따라 방정식에는 다 표현되지 않는 다양한 반응 경로와 생성물이 나타날 수 있다. 가능한 조건의 조합이 방대해서 사람이 모든 반응 경로와 생성물을 탐색하기 어렵다.

연구팀이 2025년에 개발한 로보스키는 용액을 조합하는 것부터 장비를 세척하고 생성된 물질을 분석하는 화학실험 전 과정을 해낼 수 있다. 로보스키가 하루에 진행할 수 있는 실험은 1000개 정도다. 로보스키는 AI 알고리즘을 이용해 실험 방향도 스스로 설정한다. 덕분에 사람보다 더 빠르게 화학반응의 가능성을 찾을 수 있다.

로보스키의 실험 결과 생성된 화학물질 중 하나는 기존 비기넬리 반응으로는 예상하기 어려운 전혀 새로운 구조를 가지고 있었다. 연구팀은 X선을 이용해 그 구조를 규명하고 컴퓨터 알고리즘으로 반응 메커니즘을 분석한 결과 7개의 분자가 반응 과정에서 분해되고 다시 조립되며 복잡한 구조를 만들어 낸다는 것을 밝혀냈다. 

연구팀은 로보스키가 수행한 실험 결과를 바탕으로 사람의 손으로 실험을 진행해 반응 조건을 최적화한 뒤, 반응에 사용하는 물질을 다양하게 바꿔 적용할 수 있는지 확인했다. 

연구팀이 ‘엑스 로보토(ex roboto)’​라고 명명한 이 후속 과정을 통해 단 두 단계의 합성만으로 자연에서 발견되는 일부 천연물에 견줄 만큼 복잡한 구조를 지닌 다양한 화합물을 만들어냈다.

새롭게 합성된 화합물은 독특한 특성을 보였다. 바륨(Ba)이나 아연(Zn) 등 특정 금속 이온을 선택적으로 인식해 결합했으며, 분자들의 입체적인 모양에 따라 같은 모양의 화학 물질끼리 혹은 다른 모양끼리 선택적으로 모이는 현상도 나타났다. 

로보스키가 발견한 새로운 화학 반응 경로와 생성물은 향후 금속 이온 센서와 분자의 특성을 활용한 기능성 소재 개발에 활용될 가능성이 있다. 

그쥐브프스키 단장은 “이번 연구는 잘 알려진 고전적인 화학반응에도 아직 발견되지 않은 반응성이 숨어 있을 수 있음을 보여준다”며 “로봇과 AI를 활용한 화학반응경로 탐색은 화학 자동화를 단순히 실험 속도를 높이는 도구에서 새롭고 유용한 화학반응을 발견하는 플랫폼으로 확장할 수 있을 것”이라고 말했다.

<참고자료>
doi: 10.1038/s44160-026-01096-3

[김소연 기자 lecia@donga.com]