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컴퓨터이용화학분자설계 CCS(Computer Chemistry System)는 의약·화학·소재 분야에서 연구개발(R&D)을 지원하는 정보기술(IT) 솔루션으로 생명과학 분야는 정보와 지식을 공유하는데 사용되는 인포매틱스 계열 시스템이 시장을 리드하고 있다.
특히, 일본은 시스템 인테그레이터들이 해외의 패키지 벤더(Vender)와 제휴해 대규모 솔루션을 구축·제공하고 있다.
소재과학 분야는 분자동력학 계산과 양자화학 계산을 중심으로 M&S(Modeling & Simulation)가 주목받고 있으며 글로벌 시장에서는 일본이 제작한 소프트들이 점차 시장을 장악해가고 있다.
차세대 ISIS 수요 확보경쟁 “치열”
CCS 벤더는 크게 모델링 계열과 인포매틱스 계열로 구분되며 모델링 계열은 주로 패키지 소프트를 판매해 시장규모가 작은 편이다.
미국에는 Schrodinger와 OpenEye 등 메이저들이 있지만 영국 등 유럽은 독자적인 기술력을 활용한 소규모 벤더들이 사업을 활발하게 펼치고 있다.
인포매틱스 계열은 최근 대규모 인수합병(M&A)과 재편이 활발하게 진행됐으며 Dassault Systemes Biovia(Biovia)와 PerkinElmer 등 메이저들이 시장을 장악하고 있다.
다만, 제약기업들이 화합물 데이터베이스(DB) 플랫폼을 갱신함에 따라 신흥벤더들이 등장하고 있으며 2015년에는 주목할만한 M&A가 추진되지 않았다.
인포매틱스 계열은 시스템규모가 거대한 만큼 시장도 대규모이며 해외벤더들은 2014-2015년 일본시장에 대한 공세를 강화했다.
Biovia는 CTCLS(CTC LifeScience)를 주요 파트너로 지정하고 신약개발 연구에서 의약품 개발에 이르기까지 광범위 영역에서 인포매틱스 솔루션을 제공하고 있다.
PerkinElmer는 전자연구실험노트(ELN)와 분석기기 등을 연계한 기술을 중심으로 사업을 강화하고 있으며 ELN은 Fujitsu와 파트너를 맺고 일본에서 다량의 채용실적을 거두었다.
일본은 미국의 신흥기업 Arxspan이 2014년 5월 일본에 진출했으며, 영국 Dotmatics이 2015년 봄 일본지점을 정식으로 설립하고 사업체제를 강화하고 있다.
Dotmatics은 민간용과 대학·관공서용을 나누어 CAC 그룹 및 Ryoka Systems과 각각 파트너를 맺고 있다.
유럽에서 많은 채용실적을 축적한 헝가리 ChemAxon도 일본 사업체제에 변화를 주고 있다.
ChemAxon의 총대리점을 담당하는 Patcore는 2015년 1월 시스템 인테그레이터 MSC(Management Service)의 100% 자회사로 편입되며 Fujitsu를 파트너로 기용했다.
벤더들이 적극적으로 사업체제를 정비하고 나선 것은 차세대 ISIS 수요를 확보하기 위한 경쟁이 격화되고 있기 때문이다.
ISIS는 1991년 미국의 MDL(현재는 Biovia)이 출시한 화합물 DB의 명칭으로 현재 많은 유저들을 거느리고 있으나 2016년 7월 지원기간이 만료됐다.
2000년대 중반에도 차세대 ISIS를 둘러싼 경쟁은 있었으나 Biovia가 정식으로 기한을 명시한 이후 교체수요가 본격화된 것으로 나타났다.
ISIS는 RDBMS(Relational Data Base Management System)인 「Oracle」을 채용한 클라이언트 서버형 시스템으로 2004년 당시 표준인 3중 아키텍처를 채용한 「Isentris」가 후속제품으로서 등장했으며 2013년에는 구 Accelrys가 또 다른 후속제품 「Insight」를 출시한 바 있다.
후속제품이 등장했음에도 불구하고 ISIS가 주로 사용되는 것은 제약기업들이 사용하기에 편리한 시스템이었기 때문이다.
특히, 합성연구자가 프로젝트 베이스에서 Assay 정보를 관리할 수 있는 「ISIS Local DB」 기능이 많은 호평을 받았다.
ISIS Local DB는 화면설계가 자유롭고 프로젝트 데이터를 정리해 파일로 저장하는 것도 가능하며 복수의 유저가 동시에 열람할 수 있는 것이 특징이다.
후속제품들은 해당 기능을 재편하는데 실패했기 때문에 아직까지 ISIS Local DB가 널리 사용되고 있다.
다만, ISIS Local DB는 Oracle을 사용하는 마스터 DB 시스템은 아니며 마스터 계열은 Isentris와 주요 화학엔진을 채용해 자사개발 시스템을 사용하는 유저기업이 많고 ISIS는 로컬 계열을 중심으로 남아있는 것이 현재의 상황이다.
따라서 차세대 ISIS는 마스터 계열로의 진입과 로컬 계열의 교체 등을 중심으로 2가지 시장을 형성하고 있다.
현재 가동되고 있는 ISIS Local DB를 교체하는 것도 시장규모가 거대한 편이지만 마스터 DB를 자사 플랫폼으로부터 가져오면 ELN을 비롯한 각종 어플리케이션을 연계·통합하는 것이 가능해지기 때문에 벤더들은 장래성·발전성이 있는 시장이라 판단하고 경쟁에 참여하고 있다.
슈퍼컴퓨터 보급에 계산엔진 진보…
소재 모델링 시장은 소재설계가 정교해지고 계산과정에서 실용적인 물성 예측이 가능해짐에 따라 성장하고 있다.
일본은 대규모의 주요 연구시설을 「특정 첨단 대형 연구시설」로 지정하고 있으며 SPring-8과 SACLA 등의 시설은 계측기술이 진보하며 나노스케일의 오더로 계산을 실행하고 실험결과를 조합할 수 있게 됐다.
다만, 소재과학 계열에서 M&S 시스템을 추진하고 있는 벤더는 생명과학 계열에 비해 수가 적다.
메이저 중에는 Biovia가 종합소프트 「Material Studio」를 개발하고 있고 미국 MaterialDesign, 프랑스 Scienomics, 네덜란드 Culgi, 덴마크 QuantumWise 등도 성장세를 보이고 있다.
또 생명과학 계열 모델링에서 실적을 거둔 Schrodinger도 최근 소재과학 계열 시장에 참여하고 있다.
일본의 CCS 벤더는 Biovia, Schrodinger, QuantumWise의 일본법인과 MaterialDesign, Scienomics, Culgi의 시뮬레이션 엔진을 수입·판매하는 Ryoka Systems, 「Wien2k」, 「Siesta」 등 대학이 개발한 시뮬레이션 엔진을 판매하는 AffinityScience가 있다.
일본기업들은 외부의 계산엔진을 도입하는 플랫폼형 시스템을 중심으로 판매 전략을 강화하고 있으며 Fujitsu의 「Scigress」, Jsol의 「J-Octa」, AdvancedSoft의 「Advanced Material System」, Itochu의 「Nanoveats」, ASMss의 「Matelier」 등이 판매되고 있다.
또 일본 문부과학성은 슈퍼컴퓨터 「K Computer」를 중심으로 하는 「HPCI 전략 프로그램」에 관련된 CMSI(계산물질과학 이니셔티브)가 「MateriAPPs」를 무상으로 제공하고 있다.
USB 메모리 내부에 Linux의 Debian과 가시화 툴이 설치돼 있어 PC에 인식시키는 것만으로 독립된 소재 시뮬레이션 환경을 이용할 수 있다는 것이 특징이다.
프리 소프트를 중심으로 복수의 계산 엔진이 내장돼 있어 HPCI를 구축하는 슈퍼컴퓨터에 접속하면 온라인으로도 이용이 가능하다.
주로 소재 분야에서 채용되는 계산 엔진 「Octa」와 「Phase 0」는 각각 경제산업성과 문부과학성의 프로젝트를 통해 개발됐으며 전자소재 개발에 널리 사용되고 있다.
계산 엔진은 K Computer 등 슈퍼컴퓨터의 민간 활용이 추진됨에 따라 사용이 확산되고 있으며 정부의 슈퍼컴퓨터인 만큼 일본산 계산 엔진들이 정착하기에 좋은 환경이 형성돼 있다.
슈퍼컴퓨터를 이용한 대규모·최첨단 시뮬레이션 실행 사례도 확대되고 있다.
일본은 K Computer의 후속기기 개발도 시작하고 있으며 소재 분야를 중심으로 사용범위를 확대해나갈 방침이다.
한편, 2016년 소재 분야에서 주목을 모으고 있는 것은 「소재 인포매틱스」의 동향이다.
일본 물질소재연구기구(NIMS)가 과학기술진흥기구(JST)의 지원으로 추진하고 있는 「MI²I(정보통합형 물질·소재 개발 이니셔티브)」가 2015년 7월부터 시작돼 9월에는 킥오프 미팅을 가진 것으로 알려졌다.
MI²I는 일본이 미국의 「Materials Genome Initiative」를 참고해 독자적으로 구축한 것으로 소재과학과 관련된 빅데이터를 모아 데이터 구동형 소재연구를 추진할 수 있도록 플랫폼을 구축하는 것이 주된 목적이다.
조기 실용화를 전제로 전지소재, 자성소재, 축열소재 등을 중심으로 민간기업 참여를 유도하고 있으며 2016년부터 컨소시움 방식을 통해 개발에 돌입할 계획이다.
미국의 Materials Genome Initiative는 2011년 버락 오바마 대통령이 시작한 것으로 예산 2억5000만달러가 투입됐고 국립 표준기술연구소(NIST)와 North Western University 등을 중심으로 진행되고 있다.
계산과학과 DB기술, 소재별 고도합성기술, 고속평가기술 등의 융합을 추진하고 있으며 현재 새로운 소재 개발 시도로서 성과를 거두고 있는 것으로 알려졌다.
일본의 MI²I 프로젝트 예산은 5년 동안 20억엔 정도 소요될 예정으로 미국에 비하면 매우 적은 편이다.
다만, K-Computer를 비롯한 특정첨단대형연구시설의 소재개발 관련 기반은 세계 수준에 가깝다는 평가를 받고 있어 슈퍼컴퓨터를 이용한 소재 시뮬레이션과 빅데이터를 활용하는 소재 인포매틱스가 융합되면 어떠한 이노베이션을 창출할 수 있을지 기대가 집중되고 있다.
Ryoka Systems, 의약분야 실적 뚜렷
Ryoka Systems은 일본의 CCS 시장에서 가장 역사가 오랜 벤더기업이며 생명과학에서 소재과학에 이르는 광범위 계열에서 M&S부터 인포매틱스까지 전방위 연구지원 솔루션을 제공하고 있다.
특히, 생명과학 분야에서는 스페인의 Prous Institute가 개발한 신약·의약품 개발연구지원 시스템 「Symmetry」를 중심으로 채용 실적을 축적하고 있다.
Symmetry는 수천만건의 화합물 정보를 바탕으로 작용 순서, ADME(흡수·분포·대사·배출) 물성, 독성, 부작용, 화학 유전체학(Chemogenomics), 경로(Pathway), 치료 적응성 등 광범위한 예측 모델을 도입한 시스템이다.
DR(Drug Repositioning)을 추진하기 위한 도구로 주목받고 있으며 메이저 제약기업이 일본과 해외 사업소에 도입을 추진하고 있고 테스트 사용을 진행하고 있는 제약기업도 있어 수요의 본격화가 기대되고 있다.
ELN은 영국 IDBS의 제약산업용 고기능 「E-WorkBook Suite」, 클라우드 베이스에서 사용이 용이한 미국 CDD의 「CCD Vault」, 대학·관공서용으로 제공하고 있는 영국 Dotmatics의 「Studies Notebook」, 간편하고 가격이 저렴한 자사제품 「Cliss」 등 다양한 제품군을 갖추고 있다.
소재과학 분야는 미국 MaterialDesign의 「Mede A」와 프랑스 Scienomics의 「SciMAPS」 등이 호조를 이어가고 있다.
최근 판매실적이 확대되고 있으며 2015년은 화학기업과 자동차기업의 도입이 활발했던 것으로 알려졌다.
Ryoka Systems은 앞으로 소재설계를 위한 빅데이터를 수집하기 위해 기존의 시험데이터 뿐만 아니라 양자화학계산에 기반한 시뮬레이션데이터도 중요하다고 판단하고 소재 시뮬레이션과 소재 인포매틱스 등 2개 사업에 총력을 기울일 방침이다.
특히, 소재 인포매틱스 사업은 MaterialDesign과 협력하며 사업을 추진해나갈 계획이다.
Schrodinger, 플랫폼제품 존재감 성장
Schrodinger는 신약개발 연구를 위한 M&S 기술을 중심으로 급성장한 벤더이며 최근에는 협력연구의 기반이 되는 대규모 플랫폼제품을 통해 존재감을 확대시키고 있다.
특히, 일본 시장에서는 GlaxoSmithKline과 공동으로 개발한 「LiveDesign」에 대한 관심이 높고 구체적으로 파일럿 테스트를 실시하고 있는 유저도 등장하고 있다.
Schrodinger의 M&S 사업에서 최근 주목받고 있는 것은 그래픽 프로세서(GPU)에 대응하는 자유에너지 섭동법 계산인 「FEP+」이다.
FEP+는 리드 화합물의 최적화와 탐색을 위한 새로운 방법이며 그동안 계산 부하가 커서 실시할 수 없던 해석을 처음으로 실행하는데 성공했다.
Tokyo Institute of Technology의 슈퍼컴퓨터 「Tsubame」에 따르면, FEP+는 고분자 동력학 엔진 「Desmond」와 최신역장 「OPLS3」의 조합으로 고도의 정밀도로 1주일 동안 수천개의 화합물을 평가할 수 있는 것으로 알려졌다.
Schrodinger는 2015년부터 대규모 플랫폼제품의 일본 도입을 본격적으로 추진하고 있다.
특히, LiveDesign은 국내외 조직과의 협력연구를 위한 기반을 제공하고 있으며 CRO(의약품개발수탁기관) 등 외부기관과 정보를 교환하고 사내 M&S 부문과 화학합성 부문을 조합하기 위한 용도로 채용이 진행되고 있다.
LiveDesign은 커뮤니케이션을 원활하게 돕고 신약 개발에 대한 아이디어를 바로 시뮬레이션해 검증하는 과정을 기록해 지식으로 축적할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다.
Schrodinger는 소재과학 분야에서도 지명도를 높이고 있다.
2015년 개최한 웨비나(Webinar)는 정원이 다 찰 정도로 호평이었으며 2016년에는 실제로 시스템을 조작해볼 수 있는 실습형 워크샵도 확대했다.
최근에는 Kyoto University 화학연구소가 LiveDesign의 플랫폼제품을 도입하기로 결정한 것으로 알려졌다.
JAICI, 신약개발용 소프트 추가 확대
일본 화학정보협회(JAICI)는 영국의 CCDC(Cambridge Crystallographic Data Centre)가 구축한 DB를 중심으로 연구지원 솔루션 판매 전략을 강화하고 있다.
2016년 CCS 시장의 변화에 대응하기 위해 생명과학 분야와 소재과학 분야에 각각 포커스를 맞춘 패키지를 준비하고 있으며 기능도 큰 폭으로 확대되고 있다.
API를 사용하는 것도 가능하고 DB와 해석 소프트를 사내 시스템에 통합하는 것도 간단해졌다.
CCDC는 유기화합물과 유기금속화합물의 결정구조 데이터를 총망라한 CSD(Cambridge Structural Database)를 관리하고 있는 기관이며 2015년 설립 50주년을 맞이했다.
축적된 정보가 80만건에 달하며 정밀도와 유용성이 뛰어나 호평을 받고 있다.
2016년부터는 결정구조 DB 중심의 CSD-System, 생명과학용 해석 소프트를 추가한 CSD-Discovery, 소재과학용 CSD-Materials, 모든 DB가 통합된 CSD-Enterprise 등 4가지 패키지를 중심으로 판매를 강화하고 있다.
특히, 제약기업 등을 대상으로 CSD-Discovery를 전략적으로 확대했으며 도킹해석 소프트 Gold, 단백질 복합체로부터 리간드(Ligand) 분자를 탐색하는 Relibase+, 지식을 바탕으로 분자배좌를 발생시키는 Conformer Generator, 리간드 분자구조를 중합시키는 Ligand Overlay 등의 새로운 소프트를 추가했다.
모든 소프트는 결정구조 팩트데이터를 사용해 정밀도가 높은 것이 특징이며 일본에서는 2016년 4월부터 도입하고 있다.
CSD-Materials에는 분말 결정구조 해석 소프트 「Dash」, 결정다형 리스크 어세스먼트(Risk Assessment), 패킹의 이해, 수화물(Hydrate) 해석, 공결정 스크리닝을 위한 툴이 포함돼 있다.
Conflex, 양자역학 계산과 연계 강화
Conflex는 자체개발한 배좌탐색 소프트 「Conflex」와 미국 Gaussian의 「Gaussian」, 미국 University of California가 개발한 「Amber」 등의 계산화학 소프트를 제공하고 있다.
최근에는 계산화학 소프트들을 조합하는 방안도 검토하고 있으며 세미나 등을 통해 연구과제에 대한 구체적인 적용방법 등을 제공하며 호평을 얻고 있다.
주력제품 Conflex는 2015년 4월 7번째 버전이 출시됐으며 2016년 출시된 8번째 버전에서는 7번째 버전에서 강화된 결정구조 최적화 기능을 더 개량해 포함시켰다.
또 DRC(Dynamic Reaction Coordinate)를 배좌 탐색에 활용하는 새로운 기능도 탑재할 예정이다.
결정구조 예측 분야에서는 CCDC가 실시하는 컨테스트에 참여했으며 20여개 팀 가운데 아시아 참가자는 Conflex가 유일했던 것으로 알려졌다.
Conflex를 통해 얻은 정밀한 배좌데이터를 Gaussian과 Amber에 연결하는 방안에 대해서도 검토하고 있다.
2015년에는 세미나 등을 활발하게 개최했으며 특정 연구과제에 맞는 세미나를 개최해달라는 요구가 많았던 것으로 알려졌다.
Conlfex의 8번째 버전에 탑재하기 위한 Gaussian을 사용하는 에너지 계산을 개발했으며 유기화합물 뿐만 아니라 금속 배위화합물에도 대응 가능한 양자역학적 방법을 조합함으로써 2개 프로그램의 연계 메리트가 더 확대될 것으로 기대되고 있다. <강윤화 기자: kyh@chemlocus.com>
<화학저널 2017년 3월 27일>
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