수학자들이 찾아낸 암 재발 원인…세포 잡음 원리 최초 확립

하이커뮤니티매니져 0 4 06:05

IBS 의생명수학그룹 김재경 CI·김진수 포스텍 교수·조병관 KAIST 교수

국내 연구진이 수학적 모델링으로 암 재발과 항생제 내성의 원인인 세포 내 생물학적 잡음을 제어할 수 있는 원리를 이론적으로 확립했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 수학 모델링을 활용해 암 치료가 성공적으로 끝났는데도 암이 재발하거나 강력한 항생제를 써도 일부 세균이 살아남는 현상의 핵심 원인을 찾았다. 세포 내부의 '생물학적 잡음(Biological Noise)'을 제거하고 세포의 운명을 정밀하게 제어할 수 있는 원리를 확립했다.

기초과학연구원(IBS)은 김재경 의생명 수학 그룹 CI(KAIST 수리과학과 교수)와 김진수 포스텍 수학과 교수, 조병관 KAIST 공학생물학대학원 교수 공동연구팀이 '잡음 제어 원리'를 이론적으로 정립했다고 29일 밝혔다. 연구 결과는 24일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

유전자가 같은 세포라도 단백질 양은 세포마다 다르다. 세포 내부에서 무작위로 발생하는 생물학적 잡음 때문이다. 문제는 단백질 양의 편차로 인해 약물 치료를 피해 살아남는 '아웃라이어(Outlier)' 세포가 생겨난다는 점이다. 암 재발과 항생제 내성의 주범으로 지목되는 세포들이다.

기존 유전자 회로 기술로 세포 집단의 평균 단백질 양을 조절했다. 하지만 개별 세포 간의 편차인 잡음을 오히려 증폭시켰다. 연구팀은 '냉온탕을 오가는 샤워기'에 비유했다. 샤워기 물 온도의 평균을 40도로 맞췄더라도 실제로 펄펄 끓는 물과 얼음물이 번갈아 나온다면 정상적인 샤워가 불가능한 것과 같은 이치다.

연구팀은 '잡음 제어기(NC, Noise Controller)'라는 새로운 수학적 모델을 고안했다. 핵심은 두 가지 원리의 결합이다.

먼저 시스템의 최종산출물이 서로 결합해 짝을 이루는 '이합체(dimer) 반응'으로 세포마다 달라지는 산출물의 분산을 조절할 수 있을지 검토했다. 이합체 반응이 잡음을 감지하는 센서 역할을 할 수 있음을 확인했다. 다만 이합체 반응만으로는 세포 간 차이를 줄이는 데 한계가 있었다.

연구팀은 특정 물질이 필요 이상으로 많이 만들어질 경우 바로 줄여주는 장치가 필요하다고 판단했다. 단백질이 과도하게 많아지면 즉각적으로 분해하는 '분해 기반 작동(degradation-based actuation)' 원리를 결합했다.

그 결과 외부 환경 변화에도 세포 내 잡음 수준을 일정하게 유지하는 '잡음 견고 완전 적응(Noise RPA)'을 이론적으로 구현했다. 세포 간 편차를 생물학적 시스템이 도달할 수 있는 최소 수준까지 억제하는 데 성공했다.

연구팀은 잡음 제어기 모델을 대장균의 DNA 복구 시스템에 가상으로 적용해 성능을 입증했다. 기존 시스템에서는 DNA 손상을 복구하는 단백질 양이 세포마다 크게 달라 약 20%의 세포가 복구에 실패해 사멸했다. 잡음 제어기를 적용해 모든 세포의 단백질 양을 균일하게 조절하자 사멸률이 7%까지 낮아졌다.

김재경 CI는 "생명 현상에서 운이나 우연으로 치부되던 세포 간 잡음을 수학적 설계를 통해 제어 가능한 영역으로 가져왔다"며 "암 치료 내성 극복, 고효율 스마트 미생물 개발 등 정밀한 세포 제어가 필수적인 분야에서 핵심적인 역할을 할 것"이라고 밝혔다.

김진수 포스텍 교수는 "반응 네트워크 이론을 이용한 세포 내 잡음의 이론적 수식에서 출발해 실제 생물학적 기전을 설계했다는 점에서 수학 모형의 힘을 잘 보여주는 연구"라고 강조했다.

https://m.dongascience.com/news.php?idx=75737

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