[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 수리과학과 김재경 교수와 라이스 대학 매튜 베넷(Matthew Bennett), 휴스턴 대학 크레시미르 조식(Kresimir Josic) 교수 공동 연구팀이 합성 생물학과 수학적 모델을 이용해 세포가 넓은 공간에서 효과적으로 의사 소통하는 방법을 발견했다.

연구팀은 합성 생물학을 이용해 만든 전사 회로(Transcriptional circuit)를 박테리아(E. coli)에 구축해 주기적으로 신호 전달 분자를 방출할 수 있도록 했다.

처음에는 제각기 다른 시간에 신호 전달 분자를 방출하던 박테리아가 의사 소통을 통해 같은 시간에 주기적으로 분자를 방출하는 동기화를 이뤄냈다.

하지만 박테리아를 넓은 공간으로 옮겼을 때는 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 전달 받은 신호를 증폭하는 역할을 한다.

연구팀은 이런 역할을 자세히 이해하기 위해 편미분방정식(Partial differential equation)을 이용해 세포 내 신호 전달 분자의 생성과 세포 간 의사 소통을 정확하게 묘사하는 수학적 모델을 개발했다.

그러나 전사 회로를 구성하는 다양한 종류의 분자 사이의 상호 작용을 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 원리다.

이를 통해 연구팀은 박테리아 사이의 복잡한 상호 작용을 원 위를 주기적으로 움직이는 두 점의 상호 작용으로 단순화할 수 있었다.

연구팀은 양성 피드백 룹이 있으면 두 점의 위치 차이가 커도 시간이 지날수록 점점 차이가 줄어들어 결국 동시에 움직이는 것을 확인했다.

연구팀은 이런 수학적 분석 결과를 실험을 통해 검증해 넓은 공간에서 세포가 효과적으로 상호 작용하는 방식을 규명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology) 10월 14일 자 온라인판에 게재됐다.