ScienceOps

성현적 발상

어렸을 적부터 핵융합에 관심이 많았다. 초등학교 과학관 퀴즈 대회에서 극적으로 역전승하게 만든 단어가 토카막이어서 그랬을까. 아무튼 나는 핵융합을 염원한다.

그러다 이공계의 굉장히 느리고 보수적인 연구 문화를 알게 되었다. (이렇게 얘기하기 굉장히 cheesy하지만) 스페이스엑스와 테슬라가 성공한 이유는 느리고 보수적인 업계에서 참신한 속도를 얻었기 때문이다. NASA는 말할 것도 없이 공무원 문화에 박봉이고, 기존 자가용 업계 또한 디지털 업계에 비하면 그 속도가 매우 느리다.

그렇게 이런 저런 생각이 태초의 지구의 "영양분의 바다"처럼 맴돌고 떠돌다가, 2022-06-15에 글을 읽고, 더 나아가서 직접 연구를 하면서 LaTeX는 Broken됐다는 생각과, 현재의 Citation 방식은 너무 구리다는 생각과 (ORCID도 마찬가지) Research Paper NPM System과 아이디어들이 유기적으로 연결되는 사고 도구들에 대해서 생각하게 되면서 궁극적으로 ScienceOps라는 장르, 그리고 "자연과학 엔지니어"라는 개념이 탄생해야 한다고 생각했다.

아래는 그 비전과 가장 가까운 형태이다. 이제 이 개념은 "재현 가능한 실험"이라는 굉장히 큰 첫 걸음이다. 마치 소프트웨어에서 버전 컨트롤의 탄생이다. 나는 과학자들을 위한 GitHub를 만들고 싶다.

클라우드 랩스: 로봇이 연구하는 곳

화학 박사과정 학생인 Dmytro Kolodieznyi는 실험을 수행하는 데 익숙했다. 그러나 2018년 초, 그의 연구 지도교수는 대신 로봇이 운영하는 실험에 참여할 것을 요청했다.

지도교수는 펜실베이니아주 피츠버그에 있는 카네기멜론대학교에서 세포 내 형광 탐침을 개발하던 Kolodieznyi가 한 달 동안 Emerald Cloud Lab (ECL)에서 자신의 연구를 재현하려고 시도하기를 원했다. 캘리포니아주 사우스샌프란시스코에 있는 이 생명공학 회사는 과학자들이 클라우드 랩이라고 알려진 자동화된 연구 환경에서 원격으로 습식 실험실 실험을 수행할 수 있게 한다. 시험이 잘 진행되면 카네기멜론대학교에서 클라우드 랩을 더 광범위하게 사용할 수 있는 길이 열릴 것이다.

Kolodieznyi와 그의 동료 학생들이 직접 실험을 수행했던 피츠버그 연구실과 달리, ECL의 1,400평방미터 본사에서는 전 세계 연구자들이 발행한 코드 라인에 의해 운영되는 기계 열이 주역이었고, 가끔 허리 높이의 흰색 로봇이 실내를 빙빙 돌며 도움을 주었다. 수백 대의 기계가 작동 중이었지만 전체 과정을 관리하는 데는 한두 명의 인간 기술자만 필요했다.

Kolodieznyi는 단 일주일의 실습 시간만으로 형광 태그의 유기 합성부터 고급 현미경 기술에 이르기까지 그의 박사 연구 내용 몇 년치를 복제할 수 있었다. 그는 세포 배양, DNA 합성, 액체 크로마토그래피, 질량 분석법 및 핵자기공명과 같은 구조 분석 방법을 포함하는 회사의 기능 중 극히 일부만을 경험했다고 말한다. 하지만 그 경험은 그에게 깊은 인상을 남겼다. 2020년 박사 학위를 취득한 후 그는 과학 개발자로 회사에 입사했다.

Kolodieznyi의 긍정적인 피드백과 함께 2020년 COVID-19 대유행으로 인한 연구 중단은 카네기멜론대학교가 ECL과 파트너십을 맺고 4천만 달러를 투자하여 피츠버그에 클라우드 랩을 건설하는 계기가 되었다. 이는 대학 환경에서 건설되는 최초의 이러한 시설이다. 카네기멜론대학교 클라우드 랩의 건설은 2021년 11월에 시작되었으며 2023년 중반에 개관할 예정이다. 카네기멜론대학교의 Mellon College of Science 학장인 Rebecca Doerge에 따르면, 대학의 교직원과 학생들은 이 연구소를 우선적으로 사용할 수 있어서 모든 연구자가 이 기술을 사용할 기회를 갖게 된다.

학계, 소규모 스타트업 기업, 대형 제약회사는 아웃소싱 추세의 일환으로 점점 더 클라우드 랩을 이용하고 있다. 이 접근 방식은 "24시간 내내 운영되는 실험실을 갖는 것과 같다"고 ECL의 고객사인 호주 멜버른에 있는 생명공학 회사 CSL Behring의 연구개발 총괄이사 Germano Coppola는 말한다.

클라우드 랩은 "실험실에 들어가지 않고도 많은 데이터를 생성할 수 있는 엄청난 잠재력을 과학자들에게 제공한다"고 그는 말한다.

가상 실험대

ECL의 공동 창업자인 Brian Frezza와 D. J. Kleinbaum은 실험대를 가상화하려고 하지 않았다. 어린 시절부터 친구였던 두 사람은 카네기멜론대학교에 다녔고, 2010년 사우스샌프란시스코에서 항바이러스제 개발에 주력하기 위해 Emerald Therapeutics를 설립했다. 그러나 Frezza와 Kleinbaum은 새 실험실에 있는 기계를 작동시키느라 대부분의 시간을 보냈다. 그들의 해결책은 장비를 관리하고 24시간 실험을 운영하기 위한 지속적으로 확장되는 컴퓨터 코드 세트였다. Frezza는 이 설정에서 생산성 증가뿐만 아니라 재현성 향상도 발견했다.

"나는 실험을 코드로 바꾸고 있었다"고 Frezza는 말한다. "결국 이 텍스트에는 모호함이 없으며, 버튼을 누르면 실험을 재현할 수 있다."

이들은 다른 실험실도 이 가상 시스템의 혜택을 받을 수 있다는 것을 깨닫고, 장비와 소프트웨어에 대한 구독 액세스를 판매하기 위해 그해 ECL을 설립했다. Frezza는 이를 생각하는 가장 좋은 방법은 실험실용 Netflix나 Spotify와 같다고 말한다. 이러한 서비스의 사용자들이 노래나 TV 에피소드를 구매하지 않고도 디지털 콘텐츠의 가상 라이브러리에 대한 액세스에 대해 비용을 지불하는 것처럼, ECL과 다른 클라우드 랩은 자본을 투자하지 않고도 방대한 장비 창고에 대한 액세스를 제공한다.

연구자들은 ECL 대시보드에 로그인하여 어떤 실험을 언제 수행할지 지정하고, 장비를 원하는 대로 구성하고, 실험 과정에서 조정을 하고, 실험 진행 상황에 대한 실시간 업데이트를 받고 비디오로 과정을 볼 수 있다. 인공지능 기반 '전문가'는 사용자가 기본값을 조정하고 실험을 중단시킬 수 있는 문제를 식별할 수 있는 능력을 제공하는 고도로 숙련된 기술자 역할을 한다.

ECL은 사용자가 한 번에 실행하려는 실험 수에 따라 세 가지 수준의 액세스를 제공한다. 가장 낮은 등급은 3개를 동시에 실행할 수 있으며 월 24,000달러부터 시작한다. 저렴하지는 않지만 Frezza는 장비 구매 비용에 비하면 장기적으로 연구자들의 비용을 절감해준다고 말한다. 캘리포니아주 멘로파크에 클라우드 랩을 보유한 Strateos는 사용자가 경험을 예산에 맞게 조정할 수 있도록 액세스 수준과 가격을 맞춤 설정한다.

Coppola와 CSL Behring의 경우 클라우드 랩은 사실상 24시간 서비스를 제공한다. Coppola는 샘플과 시약을 ECL 본사로 보내거나 기존 재고에서 구매하고, 명령을 지점 앤 클릭 사용자 인터페이스에 프로그래밍한 다음 결과가 들어오기를 기다린다. 그는 웹캠으로 실험을 지켜보고 실시간으로 판독값을 받을 수 있다.

클라우드 랩은 특정 실험을 수행할 인프라나 전문 지식이 부족한 연구팀에게 유일한 선택 사항은 아니다. 계약 연구 기관(CRO)도 있다. 그러나 이 두 가지 접근 방식은 매우 다르다고 샌디에이고에 있는 Strateos의 다른 시설에 근무하는 Daniel Rines 기술 지원 서비스 부사장은 말한다. 클라우드 랩에서는 과학자들이 모든 실험을 직접 수행한다. 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 실험을 운영할 수는 있지만, 여전히 자신의 아이디어와 결과물이다.

반면에 "CRO는 노동 집약적"이라고 Rines는 말한다. 즉, 대부분의 작업을 수행하기 위해 사람에게 의존하는 경향이 있다. "우리가 하는 일은 과학을 산업화하고 더 재현 가능하고 신뢰할 수 있게 만들기 위해 로봇 기능을 사용하는 것이다."

이 때문에 실험이 실패할 때 클라우드 랩 사용자는 다른 사람에게 의존하지 않고 자신의 데이터로 다시 들어가 무엇이 잘못되었는지 파악할 수 있다. Kolodieznyi는 이 과정을 부르면 달려오는 재능 있고 잘 훈련된 학부생 군대를 갖는 것과 같다고 설명한다. 그들은 처음에는 연구를 설계하지 못할 수도 있지만, 일단 훈련을 받으면 실험을 운영할 수 있으며, 매번 동일한 방식으로 수행할 수 있다.

"논문에서 무언가를 읽고 시도해 봤는데 놀랍지 않게도 실험이 되지 않은 적이 몇 번인지 모르겠다. 하지만 클라우드 랩에서는 실험을 복사하여 붙여넣기만 하면 다시 작동할 것"이라고 Kolodieznyi는 말한다.

클라우드 랩 지지자들은 재현성의 장점뿐만 아니라 과학을 수행하는 데 필요한 장비에 대한 적절한 접근성을 제공함으로써 연구를 민주화하는 데 도움이 된다고 말한다. "당신이 누구이든 어디에 있든 상관없다. 모두 같은 실험실을 사용하고 있다. 이것은 엄청난 일"이라고 Frezza는 말한다.

카네기멜론대학교의 생명공학자 Huaiying Zhang은 조지아주의 저소득층 고등학생들이 대학의 클라우드 랩을 사용하는 방안을 제안했다. 이 연구로 그녀는 미국 국립과학재단으로부터 보조금을 받았다. 과학에 관심 있는 모든 학생이 정교한 장비에 접근할 수 있는 것은 아니라고 그녀는 설명한다. 그러나 클라우드 랩에서 실험을 수행하면 이러한 장벽이 제거된다. 카네기멜론대학교 클라우드 랩이 가동되면 그녀는 학생들에게 보통 박사과정생과 박사후연구원을 위해 마련된 장비를 사용하여 실제 실험을 수행할 기회를 제공하고 싶어 한다.

"단순히 사실을 암기하는 것이 아니다. 실제 데이터를 얻게 된다"고 Zhang은 말한다. "학생들은 평소에는 접근할 수 없었을 장비를 사용할 수 있다."

런던대학교(UCL)의 연구자들은 런던에 기반을 둔 Synthace Life Sciences R&D Cloud와 협력하여 연구자들이 작업을 자동화하고 원격으로 실험 워크플로를 생성할 수 있는 무코드 사용자 인터페이스를 제공했다. Synthace의 성명에 따르면 이 파트너십은 과학자들이 예기치 않은 작업 중단에 대비하여 실험 설계를 "미래 대비"할 수 있게 해줄 것이다.

그러나 Bulletin of the Atomic Scientists 에 기고한 연구자 Filippa Lentzos와 Cédric Invernizzi는 고가 장비에 대한 장벽을 낮춤으로써 클라우드 랩은 테러 집단과 같은 악의적 행위자들이 "악의적인" 실험을 수행하기 위해 기술을 오용할 수 있게 할 수 있다고 지적한다(go.nature.com/3nsbg9e 참조). 이 문제에 대한 의견을 묻자 Strateos와 ECL의 대변인은 가능한 최고 수준의 데이터 암호화를 사용하며 보안 문제는 없었지만 이러한 가능성을 막기 위한 적극적인 점검은 하지 않는다고 말했다.

Doerge에게 클라우드 랩의 이점은 특히 현재 진행 중인 전염병 상황에서 이러한 우려보다 더 크다. 2020년 초 COVID-19가 확산되면서 대학의 많은 연구가 중단되었다. 클라우드 랩 시설이 있었다면 대학의 많은 연구실 과정뿐만 아니라 이러한 연구의 상당 부분이 계속될 수 있었을 것이라고 그녀는 말한다.

"이것은 과학에 필요한 변화였다. 휴대전화나 자율주행차와 마찬가지로 말이다."라고 Doerge는 말한다. "과학의 과정이 기술을 따라잡지 못했다."