대장균을 인공지능으로 만들 수 있다!?

대장균을 인공지능으로 만들 수 있다!? '〇✕게임'을 학습해 인간과 승부가 가능하게!

인류와 대장균의 지혜를 비교할 수 있을 것 같다.

스페인의 국립연구평의회(CSIC)에서 행해진 연구에 따르면, 유전자 개량된 대장균에 복수의 유전자 활성화 약과 항생제를 특정의 조합시켜 줌으로써, 3칸×3칸의 「〇✕게임」을 플레이할 수 있도록 훈련할 수 있었다고 한다.

훈련을 반복하는 과정에서 대장균은 졌을 때 페널티로 주어지는 항생제를 피하기 위해 최적의 반응패턴을 보이게 됐고, 결국 인공지능의 일종인 뉴럴넷처럼 기능하기 시작했다.

연구자들은 이 기법을 사용함으로써 대장균과 같은 균류를 인간을 위해 일하는 인공지능으로 변환할 수 있다고 말한다.
최신 인공지능 연구는 세균의 생명활동을 어떻게 연산능력으로 대체했을까?

자세한 연구내용은 2022년 4월 25일에 프리프린트 서버인 「bioRxiv」에서 공개되었다.



목차
대장균에게 '○○게임'을 가르치는 데 성공!
살아있는 생물을 뉴럴넷으로 변환하다

◆ 대장균에게 '〇✕게임'을 가르치는 데 성공!

현재 인공지능의 일종인 '뉴럴넷'은 체스 세계 챔피언이나 장기 명인을 물리칠 정도로 진보하고 있다.
뉴럴넷에서는 컴퓨터내의 가상공간에 가상의 뉴런이 배치되어 있어, 주어진 조건(입력)에 대한 뉴럴넷의 판단(출력)을 반복 평가하는 것으로, 인간과 같이 학습하는 것이 가능하게 되어 있다.

한편, 최근에는, 현실 세계의 재료에 연구를 함으로써, 뉴럴넷을 실체화시키는 시도도 활발하게 행해지게 되었다.
그 중에서도 주목받고 있는 것이 살아있는 세포의 생명활동을 이용하는 방법이다.

대장균 등 균류의 생명활동을 유전자 조작과 학습으로 재프로그램해 특정 조건 하에서 최적의 판단을 할 수 있게 되면 학습 가능한 생체재료로 기능할 수 있기 때문이다.

그래서 이번에 스페인 국립연구평의회(CSIC) 연구자들은 유전자 조작 대장균을 재료로 3칸×3칸의  '〇✕게임'을 할 수 있는 인공지능을 만들기로 했다.
'〇✕게임'은 언뜻 보면 매우 단순한 게임으로 보이지만 플레이를 하기에는 적절한 상황인식이나 의사결정과 같은 인공지능에 필요한 기초가 포함되어 있다.

이 연구에서는 우선 특정 화학물질에 반응해 붉은색을 발하는 유전자가 활성화되는 대장균이 만들어져  '〇✕게임' 각 칸에 배치됐다.

각 칸에는 대응하는 화학물질이 연결되어 있고, 인간의 플레이어가 「 ✕」마크를 설정할 때마다 매스에 대응하는 화학물질이 대장균들에게 주어진다.

이 결과는 대장균과 같은 신경세포와는 전혀 다른 세포라도 그 생명활동을 이용함으로써 인공지능이 할 수 있음을 나타낸다.

◆ 살아있는 생물을 뉴럴넷으로 변환하다

이번 연구를 통해 살아있는 대장균 세포를 통해 뉴럴넷과 같은 학습 시스템을 구축할 수 있음을 보여주었다.
대장균들은 항생제를 피하기 위해 유전자 회로에 조절을 하여 학습을 실현했다고 할 수 있다.

연구자들은 이 구조가 좀 더 복잡한 작업에도 적응할 수 있다고 말한다.
다만 현재로서는 박테리아가 화학물질에 반응하려면 시간이 걸리기 때문에 한 판에 며칠이 걸린다고 한다.

또 연구자들은 이번 훈련으로 대장균이 지지 않게 되겠지만 이기려면 또 다른 학습이 필요하다고 말한다.
더불어 각 칸에 있는 대장균이 서로 연결되어 있지 않기 때문에 엄밀한 의미의 뉴럴넷 정의를 충족시키고 있는지는 논란의 여지가 있을 것이다.

그러나 이 구조를 사용함으로써 이론상 인간 대 대장균뿐만 아니라 다른 종의 대장균끼리 '〇✕게임'을 할 수 있다.
연구자들은 현재 대장균들에게 더 복잡한 훈련을 시켜 '손글씨 식별'을 할 수 있는 뉴럴넷을 만들고 있다고 말한다.

실험이 성공하면 머지않은 미래에 인공지능의 대부분은 대장균에 의해 만들어지게 될 수도 있겠다.

Engineered gene circuits with reinforcement learning allow bacteria to master gameplaying
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.04.22.489191v1.full