세포간 ‘넓은 공간’ 신호 동기화 방법 발견

KAIST 수리과학과 김재경 교수와 미국 라이스대 매튜 베넷(Matthew Bennett), 휴스턴대 크레시미르 조식(Kresimir Josic) 교수 공동 연구팀이 합성생물학과 수학적 모델을 이용해 세포들이 넓은 공간에서 효과적으로 의사소통하는 방법을 발견했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)’ 10월 14일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 :Long-range temporal coordination of gene expression in synthetic microbial consortia)

세포들은 신호 전달 분자(Signalling molecule)를 이용해 의사소통하는데 이 신호는 보통 아주 짧은 거리만 도달할 수 있다. 그런데도 세포들은 넓은 공간에서도 상호작용하며 동기화를 이뤄낸다.

이는 마치 넓은 축구장에 수만 명의 사람이 주변 3~4명의 박수 소리만 들을 수 있는데도 불구하고 모두가 같은 박자로 손뼉을 치는 것과 비슷한 상황이다.

연구팀은 합성생물학을 이용해 만든 전사 회로(Transcriptional circuit)를 박테리아(E. coli)에 구축해 주기적으로 신호 전달 분자를 방출할 수 있도록 했다. 처음엔 제각기 다른 시간에 신호 전달 분자를 방출하던 박테리아들은 의사소통을 통해 같은 시간에 주기적으로 분자를 방출, 동기화를 이뤄냈다.

하지만 박테리아를 넓은 공간으로 옮겼을 땐 이러한 동기화가 각 박테리아의 신호 전달 분자 전사 회로에 전사적 양성 피드백 루프(Transcriptional positive feedback loop)가 있을 때만 가능하다는 것을 발견했다.

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

연구에 사용된 두 박테리아 사이의 생물학적 회로 디자인과 그 기능을 이해하는 데 사용된 편미분방정식의 일부분.

그러나 전사 회로를 구성하는 다양한 종류의 분자들 사이의 상호작용을 묘사하기 위해서는 고차원의 편미분방정식이 필요했고 이를 분석하기는 쉽지 않았다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 시스템이 주기적인 패턴을 반복한다는 점에 착안해 고차원 시스템을 1차원 원 위의 움직임으로 단순화했다. 달은 고차원인 우주 공간에서 움직이지만, 궤도를 따라 주기적으로 움직이기에 달의 움직임을 1차원 원 위에서 나타낼 수 있는 것과 같은 원리이다.

박테리아들의 복잡한 상호작용(좌)을 수학을 이용해서 원위의 점들의 상호작용으로 단순화 (우)하여 양성 피드백룹이 전체 공간 동기화를 이루어내는 원리를 발견.

이를 통해 연구팀은 박테리아 사이의 복잡한 상호작용을 원 위를 주기적으로 움직이는 두 점의 상호작용으로 단순화할 수 있었다.

연구팀은 양성 피드백 루프가 있으면 두 점의 위치 차이가 커도 시간이 지날수록 점점 차이가 줄어들어 결국 동시에 움직이는 것을 확인했다. 연구팀은 이러한 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 “이러한 원리는 수학을 이용한 복잡한 시스템의 단순화 없이는 찾지 못했을 것이다. 복잡한 것을 단순하게 볼 수 있도록 해주는 것이 수학의 힘이다”라고 말했다.

*용어 설명

1. 합성 생물학(Synthetic biology)

생명체를 구성하는 유전자 단백질등을 합성하여 생물학적 시스템을 설계하고 만들어내는 분야.

2. 미분방정식

미지의 함수와 그 도함수, 그리고 여러 매개 변수들로 구성된 방정식. 대표적인 예로 물체의 위치, 속도, 가속도 그리고 물체에 작용하는 힘 사이의 관계를 표현한 뉴턴 운동 법칙이 있다.

3. 전사적 양성 피드백 루프 (Transcriptional negative feedback loop)

단백질이 직접적으로 혹은 간접적으로 스스로의 유전자 발현을 유도하는 시스템