난자 수정으로 발생하는 난자 표면의 파동이 양자유체 등 다른 물리적 파동과 동일한 것으로 나타났다.

난자 수정에 따른 파동은 수십억 개의 활성화 된 단백질에 의해 생성되는데, 잠재적 막을 통과해 알이 분열, 접힘 및 다시 분열을 통해 유기체의 첫 세포 씨앗을 형성하도록 신호한다.

MIT 과학자들은 불가사리 난자 수정을 모사하기 위해 단백질을 활성화해 표면에 생성된 파동 패턴을 자세히 조사했다. 불가사리 난자는 크기가 크므로 관찰이 쉽다. 연구팀은 난자 수정 반응에 따라 표면을 가로 질러 파문 이는 파동의 패턴을 기록, 각각의 파동이 나선 패턴으로 나타나고 한 번에 여러 개의 나선이 난자 표면을 가로 질러 소용돌이 치는 것을 관찰했다. 어떤 나선은 자발적으로 반대 방향으로 소용돌이 치는 반면 다른 나선은 정면 충돌해 즉시 사라졌다.

연구자들은 이 소용돌이 치는 파동이 양자 유체(quantum fluids) 소용돌이, 대기와 바다의 순환, 심장을 통해 전파되는 전기 신호와 같은 겉으로는 관련이없는 다른 시스템에서 생성된 파동과 유사함을 확인했다.

MIT 물리학자 니카 파크리(Nikta Fakhri) 교수는“난자 표면 파동의 동역학에 대해서는 알려진 바가 거의 없으며, 이러한 파동을 분석하고 모델링하기 시작한 후에는 다른 모든 시스템에서 동일한 패턴이 나타나는 것을 발견했다”고 말했다.

MIT 수학자 존 던켈(Jörn Dunkel) 교수는 “이는 완전히 새로운 관점을 열어 준다. 사람들은 다른 시스템에서 유사한 패턴을 연구하고 생물학에 대해 배우기 위해 개발한 많은 기술을 차용할 수 있다”고 밝혔다.

눈문은 네이처 피직스(Nature Physics) 저널에 23일(현지시각) 발표됐다.

앞선 연구에 따르면 난자의 수정은 비활성 상태 세포의 세포질 내에서 부유하는 난자 내 단백질 ‘Rho-GTP’를 즉시 활성화시키는 것으로 나타났다. 일단 활성화되면 수십억 개의 단백질이 난자 막에 파동을 형성하기 시작한다.

던켈은 “아주 더러운 수족관이 있고 물고기가 유리 근처에서 헤엄 친다면 그것을 볼 수있다”며 “유사한 방식으로, 단백질은 세포 내부 어딘가에 있고, 활성화되면 막에 부착되어 움직이기 시작한다”고 설명했다.

파크리 교수는 “이 단백질들이 파동을 형성하지 않으면 세포 분열이 없을 것”이라고 말했다. 난자의 막을 가로 질러 이동하는 단백질의 파동 부분적으로 세포 중심 주위에 세포 분열을 구성하는 역할을 한다. 난자는 거대 세포이며 이들 단백질은 중심을 찾기 위해 함께 작용해야하기 때문에 세포는 유기체를 형성하기 위해 여러 번 나누어지고 접히는 곳을 알 수있다는 설명이다.

연구팀은 단백질의 농도를 변경했을 때 활성 표면의 Rho-GTP와 난자 표면에서 생성되는 파도의 패턴에 중점을 두었다. 실험을 위해 최소 침습 수술 절차를 통해 불가사리 난소에서 약 10 개의 난자를 얻었다. 그들은 성숙을 자극하기 위해 호르몬을 도입, 반응으로 상승한 활성 형태의 Rho-GTP에 부착하기 위해 형광 마커를 주사했다. 그런 다음 공 초점 현미경을 통해 각 난을 관찰하고 인공 호르몬 단백질의 다양한 농도에 반응해 수십억 개의 단백질이 난자 표면을 가로 질러 활성화되고 파동을 형성하는 것을 관찰했다.

연구진은 각 파동의 근원을 각 나선형의 중심까지 추적했다. 놀랍게도 그들은 통계적 결과와 난자 표면에서의 파동 거동이 관련이 없는 다른 시스템에서의 파동 거동과 동일하다는 것을 발견했다.

던켈은 “이러한 통계를 보면 유체의 소용돌이, 뇌의 파동 또는 더 큰 규모의 시스템과 본질적으로 동일하다”며 “이것은 셀 수준으로 축소 된 동일한 보편적 현상”이라고 말했다.

연구원들은 특히 양자 컴퓨팅의 아이디어와 파도의 유사성에 관심이 있다. 난자 파동 패턴이 특정 신호를 전달하는 것처럼 양자 컴퓨팅은 정보를 변환하고 계산을 수행하기 위해 원자를 정확한 패턴으로 조작하는 것을 목표로하는 분야다.

파크리는“아마도 우리는 양자유체 파동으로부터 아이디어를 빌려 생물학적 세포로부터 미니 컴퓨터를 만들 수있다”며 “약간의 차이를 기대하지만, 계산을 위한 도구로서 [생물학적 신호파]를 더 탐구할 것”이라고 말했다.

*Tan, T.H., Liu, J., Miller, P.W. et al. Topological turbulence in the membrane of a living cell. Nat. Phys. (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-0841-9