한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)이 수학 모델을 통해 세포가 상호작용하는 원리를 규명했다.
KAIST는 김재경 수리과학과 교수, 매튜 베넷 라이스대 교수, 크레시미르 조식 휴스턴대 교수 공동 연구팀이 합성생물학과 수학 모델을 이용해 세포들이 넓은 공간에서 효과적으로 의사소통하는 방법을 발견했다고 15일 밝혔다.
세포는 신호 전달 분자를 이용해 의사소통하는데 이 신호는 보통 아주 짧은 거리만 도달할 수 있다. 그런데 세포들은 넓은 공간에서도 상호작용하며 동기화를 이뤄낸다.
연구팀은 사전 실험으로 합성생물학을 이용해 만든 전사 회로를 박테리아에 구축, 주기적으로 신호 전달 분자를 방출할 수 있도록 했다. 이 결과 처음엔 다른 시간에 신호 전달 분자를 방출하던 박테리아가 끝내 같은 시간에 주기적으로 분자를 방출하는 동기화를 이뤄내는 것을 확인했다.
또 박테리아를 넓은 공간으로 옮겼을 땐 전사 회로에 '전사적 양성 피드백 룹'이 있을 때 동기화가 가능하다는 것을 발견했다. 양성 피드백 룹은 단백질이 스스로 유전자 발현을 유도하는 시스템이다. 전달 신호를 증폭하는 역할을 한다.
연구팀은 세부 규명을 위해 편미분방정식을 이용, 세포 내 신호 전달 분자 생성과 세포 간 의사소통을 정확하게 묘사하는 수학적 모델을 개발했다. 또 다양한 분자들 사이 상호작용을 1차원 원 위 움직임으로 단순화했다. 이를 통해 양성 피드백 룹이 있는 상황에서 단순화 한 두 점의 위치 차이가 점점 줄어들어 결국 동시에 움직이는 것을 확인했다.
연구팀은 이런 수학적 분석 결과를 실험을 통해서 검증함으로써 넓은 공간에서 세포가 효과적으로 상호작용하는 방식을 규명했다.
김재경 교수는 “세포들이 자신의 목소리는 낮추고 상대방의 목소리에는 더 귀 기울일 때만 한목소리를 낼 수 있다는 점이 인상적”이라며 “이헌 원리는 수학을 이용한 복잡한 시스템의 단순화 없이는 찾지 못했을 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
