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KAIST, 수학 모델 통해 세포 상호작용 원리 규명

등록 2019.10.15 13:46:28

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넓은 공간에서도 세포 신호의 동기화 방법 발견

박테리아들의 복잡한 상호작용(왼쪽)을 수학을 이용해 원위의 점들의 상호작용으로 단순화(오른쪽)시켜 양성 피드백룹이 전체 공간 동기화를 이뤄내는 원리.

박테리아들의 복잡한 상호작용(왼쪽)을 수학을 이용해 원위의 점들의 상호작용으로 단순화(오른쪽)시켜 양성 피드백룹이 전체 공간 동기화를 이뤄내는 원리.


【대전=뉴시스】 김양수 기자 = KAIST는 수리과학과 김재경 교수와 미국 라이스 대학 매슈 베넷·휴스턴 대학 크레시미르 조식 교수 공동연구팀이 합성생물학과 수학적 모델을 이용해 세포들이 넓은 공간에서 효과적으로 의사소통하는 방법을 발견했다고 15일 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 케미컬 바이올로지’ 14일자 온라인판에 게재됐다. (Long-range temporal coordination of gene expression in synthetic microbial consortia)

연구팀에 따르면 세포들은 신호 전달 분자(signalling molecule)를 이용해 의사소통한다. 이 신호는 보통 아주 짧은 거리만 도달할 수 있지만 세포들은 넓은 공간에서도 상호작용하며 동기화를 이뤄낸다.

공동연구팀은 이런 현상이 가능한 이유를 풀기 위해 합성생물학로 만든 전사 회로(transcriptional circuit)를 박테리아(E. coli)에 구축해 주기적으로 신호 전달 분자를 방출할 수 있도록 했다.
 
이를 통해 처음엔 제각기 다른 시간에 신호 전달 분자를 방출하던 박테리아들이 의사소통을 통해 같은 시간에 주기적으로 분자를 방출하는 동기화를 이뤄내는 것을 확인했다.

또 박테리아를 넓은 공간으로 옮겼을 땐 이런 동기화가 각 박테리아의 신호 전달 분자 전사 회로에 전사적 양성 피드백 룹(transcriptional positive feedback loop)이 있을 때만 가능하다는 것을 발견했다.

양성 피드백 룹은 단백질이 스스로 유전자 발현을 유도하는 시스템으로, 전달받은 신호를 증폭하는 역할을 한다. 연구팀은 이런 역할을 이해하기 위해 편미분방정식(partial differential equation)을 이용, 세포 내 신호 전달 분자의 생성과 세포 간 의사소통을 정확하게 묘사하는 수학적 모델을 개발했다.

연구팀은 "전사 회로를 구성하는 다양한 종류의 분자들 간 상호작용을 묘사키 위해 고차원의 편미분방정식이 필요했으나 이를 분석하기는 쉽지 않았다"며 "이를 극복키 위해 시스템이 주기적인 패턴을 반복한다는 점에 착안해 고차원 시스템을 1차원 원 위의 움직임으로 단순화했다"고 설명했다.

이는 달이 고차원인 우주 공간에서 움직이지만 궤도를 따라 주기적으로 움직이기 때문에 달의 움직임을 1차원 원 위에서 나타낼 수 있는 것과 같은 원리다.

이 방식을 활용해 연구팀은 박테리아 사이의 복잡한 상호작용을 원 위를 주기적으로 움직이는 두 점의 상호작용으로 단순화시켰다.

이어 연구팀은 양성 피드백 룹이 있으면 두 점의 위치 차이가 커도 시간이 지날수록 점점 차이가 줄어들어 결국 동시에 움직인다는 사실을 확인, 넓은 공간에서 세포가 효과적으로 상호작용하는 방식을 규명해 냈다.

김재경 교수는 "세포들이 자신의 목소리는 낮추고 상대방의 목소리에는 더 귀 기울일 때만 한목소리를 낼 수 있다는 점이 인상적이다"며 "이런 원리는 수학을 이용한 복잡한 시스템의 단순화 없이는 찾지 못했을 것이다. 복잡한 것을 단순하게 볼 수 있도록 해주는 것이 수학의 힘"이라고 말했다.


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