생물학 속에 물리학이 숨어있다

과학기술

생물학 속에 물리학이 숨어있다
초파리 세포분열 찍어 확인

2021.03.10 09:00 심재율 객원기자

난자 세포나 난자 세포로 발달하는 난모(卵母) 세포는 대부분의 유기체에 의해 생성된 세포 중 가장 큰 세포이다. 인간의 경우, 난자 세포는 일반적인 신체 세포보다 몇 배 더 크고, 정자 세포보다는 약 10,000배 더 크다.

난자 세포와 난모(卵母) 세포가 이렇게 큰 이유가 있다. 그들은 수정 후 자라나는 배아를 지탱할 충분한 영양분을 축적해야 하고, 그 모든 성장에 힘을 보태야 할 미토콘드리아가 있어야 한다. 하지만, 생물학자들은 난자 세포가 어떻게 그렇게 크게 되는지에 대한 전체 그림은 아직 이해하지 못하고 있었다.

MIT 대학 생물학자들과 수학자들이 수행한 초파리에 대한 새로운 연구는 수정 전 난모 세포가 현저하고 빠르게 성장하는 과정을 잘 보여준다. 그것은 다른 크기의 풍선 사이의 가스 교환과 유사한 물리적 현상에 의존한다는 것을 보여준다.

초파리에서 간호사 세포들이 난자 세포에게 내용물을 보내 준다. ©MIT

좀 더 구체적으로 설명하면, 연구자들은 훨씬 더 큰 난모 세포를 둘러싼 ‘간호사 세포’가 ‘난모 세포’로 그들의 내용물을 집어 넣는도움 작용을 한다는 사실을 발견했다. 이는 큰 풍선과 작은 풍선이 작은 관으로 연결되어 있을 때, 작은 풍선의 공기가 큰 풍선으로 흘러 들어가는 것과 같다.

“이 연구는 물리학과 생물학이 어떻게 결합하는지, 그리고 자연이 강력한 메커니즘을 만들기 위해 어떻게 물리적인 과정을 사용하는지를 보여준다”고 MIT 물리 응용 수학의 요른 던켈(Jörn Dunkel) 교수는 말한다. 이번 논문은 최근 미국국립과학원회보(PNAS)에 실렸다.

난자 세포가 큰 것은 간호사 세포가 돕기 때문

암컷 초파리에서 난자는 낭종이라고 알려진 세포 군집 안에서 발달한다. 미성숙 난모 세포는 난자 세포 1개와 간호사 세포 15개를 만들기 위해 4주기의 세포분열을 겪는다. 그러나 세포 분리는 불완전하며 각 세포는 밸브 역할을 하는 좁은 통로로 다른 세포와 연결된 상태를 유지한다. 이 통로를 통해서 세포 사이에 내용물이 서로 이동한다.

연구팀은 모터 역할을 하면서 근육 세포의 수축에 도움을 주는 단백질의 일종인 미오신에 대한 오랜 관심 때문에 이 과정을 연구하기 시작했다. 우선 초파리의 난자 형성 과정을 고해상도 라이브 영상으로 찍어 관찰했다.

연구팀은 세포들이 서로 다른 크기의 풍선이 연결되어 있을 때 내용물이 이동하는 것과 같은 방식으로 움직이는지 궁금했다. 사람들은 큰 풍선이 같은 크기가 될 때까지 더 작은 풍선으로 공기를 유출할 것이라고 예상하지만, 실제로는 공기가 더 작은 풍선에서 더 큰 풍선으로 흐른다.

이것은 곡률이 더 큰 작은 풍선이 더 큰 풍선에 비해 표면 장력이 높고, 따라서 더 높은 압력을 받기 때문에 일어난다. 그러므로 공기는 더 작은 풍선에서 더 큰 풍선으로 밀려나게 된다. “직관에 반대되는 현상이지만 매우 강력한 프로세스이다”고 던켈은 설명한다.

이 같은 ‘2풍선 효과’를 설명하기 위해 연구팀은 15개의 작은 간호사 세포에서 큰 난모 세포로 어떻게 내용물이 전달되는지 설명하는 수학적 모델을 고안했다. 가장 가까운 곳에 있는 간호사 세포에서 먼저 내용물이 난모 세포로 옮겨지고, 그다음에는 더 먼 곳의 간호사 세포에서 내용물이 난모 세포로 옮겨 들어간다.

세포 사이의 물리적 현상을 설명하기 위해 동원된 풍선들. 푸른 색이 간호사 세포, 흰 색이 난모 세포이다. © MIT

연구팀은 16세포 문제를 설명하기 위해 좀 더 복잡한 모델을 만든 후, 더 단순한 16-풍선 시스템의 시뮬레이션이 16-세포 네트워크와 매우 흡사하다는 것을 깨달았다. 직관에 반대되는 과정이지만 수학적으로 단순한 아이디어가 세포분열 과정을 그렇게 잘 묘사하고 있다는 것은 놀라운 일이다.

큰 세포가 작은 세포 빨아들여

간호사 세포는 세포가 세포질을 통과할 수 있을 만큼 세포를 연결하는 통로가 커졌을 때 내용물을 내보내는 것으로 보인다. 일단 간호사 세포가 원래 크기의 약 25%로 줄어들어 핵보다 조금 더 큰 크기만 남게 되면, 2단계 과정이 촉발돼 미오신이 수축되면서 간호사 세포의 나머지 내용물을 난자 세포로 밀어 넣는다.

이번 발견은 세포가 생물학적, 물리적 메커니즘을 모두 사용하여 조직 차원의 움직임을 일으킨다는 사실을 보여준다.

초파리와 다른 무척추동물의 난모 세포와 초기 배아 발달은 포유류의 난자 세포 성장과 유사한 점이 있지만, 그러나 인간이나 다른 포유류에게서도 동일한 메커니즘이 발견될지는 미지수라고 연구원들은 말한다.

시니어 저자인 아담 마틴(Adam Martin) 교수는 “쥐의 난모 세포가 다른 세포와 연결된 낭종으로 발전한다는 증거가 있으며, 난모 세포 사이에 약간의 이동수단이 있다는 증거는 있지만, 우리가 여기서 보고 있는 이 메커니즘이 포유류에서 작용하는지는 아직은 알 수 없다”고 말했다.

(7095)