Genesis: Towards the Automation of Systems Biology Research

Motivation

• Known: 폐쇄 루프 자동화를 통한 과학 연구의 자동화는 이미 Adam과 Eve라는 로봇 과학자를 통해 입증되었다. Adam은 효모 함수 유전체학에서 새로운 과학 지식을 자율적으로 발견했고, Eve는 초기 단계 신약 개발에서 AI 기반 화합물 선택이 표준 약물 스크리닝을 능가함을 보였다.
• Gap: 기존 폐쇄 루프 자동화 시스템들은 단순한 입출력 블랙박스 최적화에만 집중하는 반면, 수천 개의 상호작용 성분과 수만 개 매개변수를 가진 복잡한 시스템 생물학 모델의 자동 개선을 시도한 시스템이 없다. 또한 가설 기반 고처량 실험 설계와 실행이 기존 방법으로는 불가능하다.
• Why: 진정한 시스템 생물학 이해를 위해서는 생물학의 복잡성으로 인해 막대한 수의 가설 기반 실험이 필요하며, 이는 인간 과학자의 직관 능력을 초과한다. 따라서 복잡한 모델링과 효율적인 실험 설계에 특화된 AI 시스템이 필수적이다.
• Approach: Genesis는 1,000개의 컴퓨터 제어 µ-bioreactor 하드웨어 플랫폼, AutonoMS 자동 질량분석법 시스템, Genesis-DB 데이터베이스, RIMBO 온톨로지, 그리고 LGEM+ relational learning 시스템을 통합한다. 이들은 가설 형성, 실험 계획, 실험 실행, 결과 해석의 폐쇄 루프 사이클을 자동화한다.

Achievement

Fig. 1. The overall architecture of the Genesis system. The main hardware system will have 1,000

Genesis 하드웨어 개발: 초기 12개 µ-bioreactor 시스템이 Chalmers에서 작동 중. AutonoMS 플랫폼: 하루 약 10,000회 측정이 가능한 ion mobility-mass spectrometry 자동화 시스템 개발 및 시연. Genesis-DB: 구조화된 도메인 정보에 대한 소프트웨어 에이전트 접근을 가능하게 하는 데이터베이스 시스템 개발. RIMBO 온톨로지: 수십만 개의 모델 변경을 기술하기 위한 개정 온톨로지 개발. LGEM+: genome-scale metabolic models의 자동화된 납치적 개선을 위한 relational learning 시스템 개발.

How

Fig. 1. The overall architecture of the Genesis system. The main hardware system will have 1,000

• 1,000개의 µ-bioreactor를 마이크로타이터 플레이트 표준 포맷의 48개 단위로 배열하여 대규모 병렬 실험 실행 가능. - Agilent RapidFire와 6560 ion mobility-mass spectrometry 시스템을 통합하여 크로마토그래피 단계 없이 고속 대사체 측정. - 효모 내부 ~100개 대사체와 ~6,000개 tRNA 상태를 측정하여 모델 제약 조건 강화. - 실시간으로 batch, fed batch, continuous 모드 구성 가능한 µ-bioreactor 설계.

Originality

• 수천 개의 상호작용 인과 성분과 수만 개 매개변수를 가진 복잡한 시스템 생물학 모델의 자동 개선을 시도한 첫 시스템. - 기존 고처량 실험과 달리 가설 기반 실험 설계를 대규모로 자동화하는 새로운 접근법. - Ion mobility-MS를 활용하여 크로마토그래피 단계 제거로 기존 시스템 대비 훨씬 높은 측정 처리량 달성.

Limitation & Further Study

현재 제한 사항: Fig. 1에서 italic으로 표시된 여러 소프트웨어 모듈이 미완성 상태. 초기 µ-bioreactor 시스템은 계획된 1,000개가 아닌 12개만 구성. 향후 연구 필요 영역: - 실제 1,000개 µ-bioreactor 시스템의 완전한 통합 및 검증. - 수천 개 상호작용 성분 모델에 대한 relational learning 알고리즘의 확장성 검증. - Genesis에서 생성된 대규모 실험 데이터로부터의 실질적인 모델 개선 사례 시연. - 자동화 시스템의 비용-편익 분석 실제 증명.

Evaluation

총평: Genesis는 폐쇄 루프 자동화 과학의 경계를 크게 확장하는 야심찬 프로젝트로, 자동화된 대규모 µ-bioreactor 시스템, AutonoMS 고처량 분석 플랫폼, 그리고 통합 소프트웨어 스택을 통해 진정한 시스템 생물학 자동화를 추구한다. 다만 현재는 진행 보고이며 완전한 시스템의 성능 검증과 실제 과학적 성과 시연이 필요하다.