[오늘의 과학자]생체시계 비밀 60년만에 수학으로 풀다

머니투데이

류준영 기자

온도가 변해도 생체시계 속도가 일정하게 유지되는 원리를 국내 연구진이 밝혀냈다.

카이스트(KAIST) 수리과학과 김재경 교수는 미분방정식을 통한 수학모델링 기법을 통해 온도가 변해도 생체시계가 일정하게 유지되는 원리를 찾아냈다고 5일 밝혔다.

이번 연구 성과는 생체시계의 성질이 1954년 처음 발견된 후 수수께끼로 남아 있던 생체시계 작동 원리를 60여 년 만에 밝혀낸 것이다.

사람들이 매일 비교적 일정한 시간에 잠을 자고 기상을 하는 것은 뇌에 있는 생체시계가 오후 9시께 멜라토닌 분비를 시작해 오전 7시께 멈추기 때문이다.

생체시계는 온도 변화와 관계없이 일정한 속도를 유지한다. 이는 환경에 따라 체온이 변하는 변온동물도 마찬가지다. 온도가 변해도 생체시계가 일정하게 유지되는 것은 온도가 높아지면 활발해지면서 빨라지고 온도가 낮아지면 느려지는 일반적인 생체현상들과는 다른 것이다.

그 작동원리는 생체시계 분야의 가장 큰 수수께끼였다.

김 교수는 생체시계의 핵심단백질인 피리어드2(Per2)가 온도에 따라 분해되는 과정을 여러 변수로 구성된 미분방정식을 적용한 수학 모델링으로 분석, 생체시계가 온도 변화에도 일정하게 유지되는 원리를 밝혀냈다.

연구팀에 따르면 12시간 동안 증가하고 12시간 동안 분해되는 리듬을 평생 반복하는 Per2 단백질이 온도 변화에 따라 두 가지 방법으로 분해되며, 이 두 가지 방법의 비율을 조절하는 인산화 스위치가 Per2에 있다.

생체시계에는 온도가 올라가면 Per2 단백질이 빠르게 분해되는 경로와 느리게 분해되는 경로가 있다. 이 두 가지 경로 비율을 조절하는 인산화 스위치가 Per2에 존재한다.

김재경 교수/사진=KAIST

다시 말해 온도가 올라가면 인산화 스위치는 Per2가 느리게 분해되는 경로를 활성화해 전체적인 Per2 분해속도를 늦춘다.

반대로 온도가 내려가면 Per2 단백질이 빠르게 분해되는 경로를 활성화해 Per2 분해속도를 높여 생체시계 속도를 조절한다.

김 교수는 "인산화 스위치가 생체시계 속도를 조절할 수 있는 핵심 요소"라며 "인산화 스위치를 조절하는 약을 개발하면 잦은 해외출장으로 인한 시차, 주야 교대 근무 등에 의한 생체시계 고장을 예방하는 데 기여할 것"이라고 말했다.