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한미연구팀, 세포들이 넓은 공간에서 소통하는 방법 발견해

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한미연구팀, 세포들이 넓은 공간에서 소통하는 방법 발견해

2019.10.15 14:56
KAIST는 김재경 수리과학과 교수와 매튜 베넷 미국 라이스대 교수, 크레시미르 조식 미국 휴스턴대 교수 연구팀이 합성생물학과 수학적 모델을 이용해 세포들이 넓은 공간에서 효과적으로 의사소통 하는 방법을 발견했다고 15일 밝혔다. KAIST 제공 
KAIST는 김재경 수리과학과 교수와 매튜 베넷 미국 라이스대 교수, 크레시미르 조식 미국 휴스턴대 교수 연구팀이 합성생물학과 수학적 모델을 이용해 세포들이 넓은 공간에서 효과적으로 의사소통 하는 방법을 발견했다고 15일 밝혔다. KAIST 제공 

세포들은 신호전달분자를 이용해 서로 소통한다. 이 신호는 보통 아주 짧은 거리만 도달할 수 있다고 알려져 있지만 세포들은 넓은 공간에서도 의사소통할 수 있다. 한국과 미국의 국제 연구팀이 넓은 공간에서도 의사소통 하는 세포의 비밀을 풀었다.


김재경 KAIST 수리과학과 교수와 매튜 베넷 미국 라이스대 교수, 크레시미르 조식 미국 휴스턴대 교수 연구팀은 합성생물학과 수학적 모델을 이용해 세포들이 넓은 공간에서 효과적으로 의사소통 하는 방법을 발견했다고 15일 밝혔다. 


연구팀은 합성생물학을 이용해 상호작용하는 두 가지 종류의 균주로 구성된 합성 네트워크를 만들어 그들을 관찰했다. 예상대로 이 균주들을 100마이크로미터 (㎛, 10만 분의 1m) 정도 되는 좁은 공간에서 배양했을 경우 모든 박테리아들이 같은 시간에 주기적으로 동시에 유전자가 발현했다. 


반면 2밀리미터(mm) 정도 되는 비교적 넓은 공간에서 배양할 경우, 특정한 경우에만 전체적으로 이런 동기화가 가능하다는 것으로 나타났다. 연구팀은 “’양성 피드백 루프’가 세포내에 존재할 때에만 박테리아들이 신호를 국소적으로 증폭시켜 이웃하는 박테리아와 유전자를 발현하는 시간의 차이를 줄인다”며 “모든 박테리아들이 동시에 유전자를 발현하는 것을 확인했다”고 설명했다. 양성 피드백 룹은 스스로 유전자 발현을 유도하는 시스템으로 전달받은 신호를 증폭하는 역할을 한다.

 

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

연구팀은 추가적으로 세포 내 신호 전달 분자의 생성과 세포 간 의사소통을 묘사하는 수학적 모델을 개발했다. 이 수학적 모델을 통해 박테리아 사이의 복잡한 상호작용을 원 위를 주기적으로 움직이는 두 점의 상호작용으로 단순화했다. 그런 다음 양성 피드백 룹이 어떻게 전달받은 신호를 증폭하는지 연구했다. 그 결과 연구팀은 양성 피드백 룹이 있으면 두 점의 위치 차이가 커도 시간이 지날수록 점점 차이가 줄어들어 결국 동시에 움직이는 것을 확인했다.


김 교수는 “세포들이 자신의 목소리는 낮추고 상대방의 목소리에는 더 귀 기울일 때만 한 목소리를 낼 수 있다는 점이 인상적이다”며 “수학을 이용해 복잡한 시스템을 단순화한 덕분에 이런 원리를 찾을 수 있었다”고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술자 ‘네이처 케미컬 바이올로지’ 14일자에 발표됐다.
 

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