국내연구진 "생체 생명조절 기능, 수학으로 풀었다..세계 최초"

성재영 중앙대학교 화학과 교수

[이데일리 오희나 기자] 한국연구재단은 국내 연구진이 생명현상의 근간이 되는 세포의 유전자 발현 조절 능력을 ‘역동적 반응 네트워크 모델’ 이라는 새로운 개념의 반응 네트워크 모델과 이를 기술하는 수학적 방법론을 도입해 세계 최초로 정확하게 설명해 내는데 성공했다고 21일 밝혔다.

성재영 중앙대 교수 연구팀의 복잡한 세포 환경효과를 정확하게 설명할 수 있는 모델과 수학적 방법론 연구결과는 물리과학 분야의 권위 있는 학술지인 피지컬리뷰엑스(Physical Review X) 10월 1일자 온라인판에 게재됐다.

생명현상을 세포 내 화학 반응 차원에서 이해하려는 시스템 생물학에서는 파울리가 1928년 개발한 마스터 방정식 접근법을 오랫동안 사용해 왔으나, 이 방법은 플라스크처럼 균일한 환경에서 일어나는 화학반응에 대해서는 정확하게 설명해 주지만 세포처럼 불균일한 환경에 대해서는 그렇지 못하다.

마스터 방정식은 오스트리아의 이론물리학자인 볼프강 에른스트 파울리(Wolfgang Ernst Pauli)가 개발한 방정식으로 시스템의 상태가 시간에 따라 어떻게 변해갈 지 확률적으로 기술하는 방식이다.

세포 안에서 일어나는 화학 반응은 수많은 세포 환경 변수의 영향으로 그 반응성이 세포마다 다르고 시간에 따라서도 불규칙하게 변화하는데, 이를 정확하게 묘사하는 모델이나 수학적 이론을 구축하는 것은 사실상 불가능한 것으로 인식돼 왔다.

연구진은 세포 내의 수없이 많은 환경 변수들과 상호작용하는 화학반응 과정을 나타내는 ‘역동적 반응 과정’이라는 개념을 새롭게 도입하고 역동적 반응과정들로 구성된 네트워크를 정확하게 기술할 수 있는 방정식을 수립했다.

세포의 유전자 발현 과정을 역동적 유전자 발현 반응 네트워크로 모델 후 이를 정확히 기술하는 방정식을 수립하고 이로 부터 유전자 발현 결과물인 단백질 개수의 평균과 분산 등 실험 관찰량들에 관한 간단한 수학적 결과를 얻어냈다.

연구 결과는 세포가 유전자 발현 정도를 조절하는 능력이 유전자 발현 네트워크를 구성하는 주요 화학반응 과정들의 확률적 성질에 어떻게 의존하는지를 선명하게 설명하고 있다. 이 결과는 여러 가지 다양한 유전자 발현 시스템에 대해 보고된 실험 결과를 최소한의 조절 변수로 일관되면서도 매우 정확하게 설명하는 것으로 드러났다. 이는 생명현상을 물리화학적으로 접근하여 정량적으로 이해하는 새로운 패러다임을 제시하는 것이다.

이를 통해, 배아 세포의 분열 시간 조절 원리, 심장세포 박동 시간 조절 현상, 뉴런의 신호 발생 및 전달 조절기작 등과 같이 다양한 세포 시스템의 ‘생명조절기능’을 수학적 혹은 물리화학적으로 이해하는데도 활용될 수 있다.

성 교수는 “이번 연구에서 제안한 ‘역동적 반응 과정’ 개념과 이에 기초해 개발될 ‘확률적 생체 반응 속도론’은 비단 유전자 발현 조절 현상 뿐 아니라 여러 가지 생명체의 다양한 생명기능 조절 현상을 연구하는데도 적용할 수 있다”고 밝히고 “향후 응용 연구를 통해서 세포들의 생체기능 조절능력을 회복시키는 방향의 새로운 의료기술 개발에도 기여 할 것으로 기대된다”고 말했다.

세포 환경 하에서의 역동적 반응 과정의 개념도. (a) 균일한 환경 하에서의 단일 반응 과정 (b) 반응 계수가 세포마다 다르고 시간에 따라 요동치는 확률 변수인 역동적 반응 과정의 모식도. (c) 반응 시스템과 세포 환경 사이의 상호작용에 대한 정보가 부족해 반응 계수가 세포 환경에 의존하되 어떻게 의존하는지를 직접 구체적으로 알 수 없는 경우, 이 반응 과정을 역동적 반응 과정이라고 지칭하며 일반적인 화학 반응 과정과 구별 짓기 위해 요동치는 화살표로서 나타낸다.