'몸의 시계' 생체 리듬 유지 원리, '수학'으로 찾아냈다

김재경 교수. /사진제공=KAIST.

우리 몸엔 다양한 주기의 리듬을 만드는 시계들이 있다. 심장은 매초 박동하고 체세포들은 일정한 주기로 분열한다. 생체 리듬은 다양한 호르몬 분비 시점을 조절해 24시간 주기 환경에 적용해 살 수 있도록 한다. 과학자들은 어떤 원리로 우리 신체가 일정한 주기로 생체 리듬을 조절하는 지와 생체 리듬을 인공적으로 만들기 위한 연구를 진행해왔다.

KAIST 수리과학과 김재경 교수(32·사진)는 미분 방정식과 확률적 매개변수 샘플링을 기반으로 한 수학적 모델링을 통해 다양한 환경에서도 안정적인 생체 리듬을 유지할 수 있는 생물학적 회로 디자인을 설계했다고 31일 밝혔다.


이를 바탕으로 미국 라이스 대학 메튜 베넷 교수 연구팀은 합성 생물학 기술을 통해 안정적인 리듬을 갖는 시스템을 실제 제작하는데 성공했다.

과학계에서는 최근 생체 리듬 생성의 매커니즘을 밝히기 위해 생물학적 시스템을 직접 구현하는 합성생물학(Synthetic biology)이 주목을 받고 있다. 이 방식은 전지, 전구, 모터 등을 연결해 전자 회로도의 작동 원리를 이해하듯이 유전자와 단백질로 구성된 생물학적 회로를 직접 만들어 생체 회로의 작동 원리를 연구하는 것이다.

김 교수 연구팀은 라이스 대학 연구팀에게 수학적 모델링을 제공해 합성생물학 연구에서 사용되는 바텀 업(Bottom-Up) 방식의 단점인 방대한 범위와 생물학적 회로에 대한 테스트를 거쳐야 하는 문제 등을 해결했다. 이는 실험을 위한 설계도를 제공한 것과 같은 이치다.


김 교수는 이번 연구에서 기존에 알려진 안정적인 리듬을 만들어내는 생물학적 회로 디자인과는 근본적으로 다른 디자인을 밝히고 설계했다.

생체 회로에서 특정 물질이 분비될 때 음성 피드백(Negative Feedback)은 물질 분비를 억제하는 역할을 하고, 양성 피드백(Positive Feedback)은 분비를 촉진하는 역할을 한다. 양성 피드백의 역할은 기존 연구들을 통해 알려졌으나 잉여로 존재하는 음성 피드백의 역할은 명확하지 않았다.

김 교수는 수학적 모델링을 통해 두 개의 전사적 음성 피드백 회로(Transcriptional negative feedback loops)가 안정적인 생체 리듬을 만들어낼 수 있음을 증명했다. 하나의 음성 피드백이 늘거나 줄어들면서 물질의 분비 리듬을 조절하는 것이 가능하지만 안정적이지 못해 실제로 생체 회로를 구현하는 것은 한계가 있었다.

김 교수는 하나의 음성 피드백을 추가했을 때 다양한 환경에서도 생체 리듬을 만들 수 있고, 추가적인 음성 피드백이 변화에 대응해 안정적인 생체 리듬이 구현됨을 증명했다.

이 연구 결과는 다양한 생물학적 리듬 생성의 근본 원리를 밝히는데 새로운 방향을 제공할 것으로 기대된다.

합성생물학에서는 보통 단일 박테리아 안에 회로를 만드는 방식을 이용하는데 이번 연구에서는 기존과는 다른 방식을 채택했다. 서로 다른 두 종류의 박테리아 사이의 신호 물질을 바탕으로 생체 회로를 구현한 것. 이를 통해 인체의 내장 속에 존재하는 다양한 박테리아 간의 상호 작용을 이해하고 조절하는 기술을 개발하는 데도 역할을 할 것으로 기대된다.

김 교수는 “이번 성과를 통해 우리나라에선 아직은 부족한 생물학과 수학의 교류가 활발해지길 기대한다”며 “수학이 생물학 연구에 기여할 수 있음을 알리고 싶다”고 말했다.

이번 연구는 저명 학술지 사이언스(Science) 28일자에 게재됐다.