세포들은 우리 몸 속에서 어떻게 진화하는가.

진화하는 세포집단은 약제 내성을 보이는 감염질환이나 암의 진행에서 핵심 역할을 하지만, 현대 과학자들은 정작 세포들이 우리 몸 안에서 어떻게 진화하는지에 대해 아직 정확히 이해하거나 예측하지 못 하고 있다.

미국 스토니 브룩대 연구팀은 최근 투약을 했을 때와 약이 주어지지 않았을 때 세포들이 얼마나 빨리 어떤 방식으로 변화하는가에 대한 컴퓨터 예측을 검증하는 합성 생물학 모델을 개발하는데 성공했다. 이 연구는 최근 발행된 ‘분자 시스템 생물학’(Molecular Systems Biology)에 게재됐다.

세포 진화 예측을 단순화·계량화

세포에서 스트레스 반응 네트워크는 세포의 진화와 발병 과정에서 핵심적인 역할을 한다. ‘스트레스-반응 균형이 네트워크 모듈과 그 호스트 유전체의 진화를 이끈다’는 명제에서 연구팀은 합성과 컴퓨터적 처리 및 실험 진화생물학적 방법을 결합한 다음, 합성한 두 유전자 회로를 하나의 효모 유전체로 통합해 진화과정을 추적했다.

또 유전자 회로의 계량적 지식을 이용해 여섯 개의 서로 다른 환경조건에서의 특별한 진화적 역할 양상을 예측하기 위한 두 개의 컴퓨터 모델을 개발했다. 연구팀은 이어 실험적으로 두 가지 예측을 검증했다. 하나는 세포 집단에서 원래의 유전체가 사라지는 속도이고, 두 번째는 각각의 환경조건에서 이루어진 돌연변이의 타입과 숫자였다.

연구를 이끈 가보 발라시(Gábor Balázsi) 생의학 엔지니어링학과 교수는 “우리의 방법은 세포 진화를 예측하거나 막는 데 따르는 어려운 문제를 단순화하고 계량화하는데 도움을 준다”고 말했다.

그는 “효모 세포 속에 삽입된 합성물을 가지고 원하는 세포의 일부분이 약제 내성과 저성장 특성을 지니도록 만들었으며, 세포가 자신이 가진 유전자의 활동에 따라 얼마나 빨리 분할하는지를 알 수 있는 지도와 같은 적합 지형(fitness landscapes)을 구축했다. 이들을 통해 진화의 속도와 메커니즘을 예측할 수 있다. 이 방법은 유사한 적합 지형이 구축될 수 있음을 시사하며, 이 방법을 이용해 여러 세포들과 네트워크가 어떻게 진화하는지에 대한 첫 단계를 예측할 수 있다”고 설명했다.

암 세포와 병원성 미생물의 진화 예측에 활용

연구팀은 항생제를 이용해 환경적 스트레스를 주거나 혹은 없앤 상태에서 유전자 발현을조정한 다음 세포들이 진화하도록 함으로써 컴퓨터 예측의 타당성을 확인했다.

발라시 교수는 연구팀의 과업이 합성 생물학자들로 하여금 진화로 인한 특성 저하에 더욱 큰 저항성을 지닌 바이오 도구들을 개발토록 해 좀더 값싼 약품과 바이오 센서 및 환경 클리너를 생산하는데 도움을 줄 수 있다고 설명했다. 이번 연구는 또 자연상태에서의 세포 진화와 안정성을 조사하고 이해하는 하나의 모델 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.

발라시 교수는 인간 세포 시스템에서 세포 진화를 예측하는 방법을 학습하면 암세포와 병원성 미생물의 진화를 예측할 수 있는 단서를 얻게 되고, 이를 통해 치명적인 세포 타입의 진화를 예방함으로써 인명을 구하는데 도움을 줄 것이라고 강조했다.