상처가 생기면 손상을 복구하기 위한 세포가 재빠르게 움직인다. 건강 불청객인 암세포는 혈관으로 기어가 인체 다른 부위로 퍼져나간다. 세포의 움직임은 생명 활동의 기본이자, 효과적 치료법 개발을 위한 단서다. 하지만 아직 세포의 역학을 완벽히 밝혀내지는 못했다. 오스트리아의 물리학자와 벨기에의 생물학자들이 힘을 합쳐 상처를 치료하는 세포가 기차처럼 움직인다는 사실을 알아내고, 그 연구 결과를 19일 국제학술지 ‘네이처 물리학(Nature Physics)’에 발표했다.

바퀴 달고 칙칙폭폭

연구진이 주목한 세포는 상처 치유 세포로 알려진 ‘케라토사이트’다. 케라토사이트는 몸에 상처가 생기면 피부 위를 재빨리 이동해 상처 부위를 둘러싸 회복시킨다. 2018년 국제학술지 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’에 실린 연구에 따르면 이 세포에는 바퀴와 유사한 구조가 있다. 당시 연구는 특수 현미경으로 케라토사이트의 이동 모습을 촬영했는데, 바퀴를 닮은 구조를 회전시켜가며 빠른 속도로 이동한다는 사실이 밝혀졌다.

오스트리아 과학기술연구원(ISTA)의 이론 물리학자들과 벨기에 몽스대 실험 연구진은 케라토사이트의 이동 메커니즘을 더 면밀히 관찰하기 위해 인공 환경을 구성했다. 소규모 집단의 상호작용을 이해하는 것이 전체 사회 규모를 분석하는 것보다 간단한 것처럼, 패트리 접시처럼 잘 정의된 인공 환경에서 세포들의 이동 행동을 엿보기 위해서다.

연구진은 패트리 접시 위에 일종의 기찻길인 일차원 경로를 인쇄하고, 여러 세포로 구성된 제브라피시 비늘을 뒀다. 처음에 세포들은 표면 접착 분자를 이용해 마치 손을 잡은 것처럼 서로를 붙잡고 있다. 결합이 끊어지면 세포들은 작은 그룹으로 모여 일차원 경로를 따라 기차처럼 앞으로 나아간다. 10량짜리 기차와 18량짜리 기차가 있는 것처럼 세포 기차의 길이도 환경에 따라 항상 다르다.

세포 기차가 나아갈 방향을 정하는 것은 ‘극성’이다. 각 세포는 극성을 이웃 세포에게 전달해 함께 움직인다. 그런데 세포끼리 극성 정보를 공유하는 메커니즘은 풀리지 않았다. 몽스대 연구진은 이 시점에 ISTA의 물리학자들에게 손을 내밀었다. 물리학자들은 세포의 극성, 상호작용 그리고 주변 환경의 기하학을 결합한 수학적 모델을 개발했다. 이어 이 프레임워크를 컴퓨터 시뮬레이션으로 옮겨 다양한 세포 상호작용 시나리오를 시각화했다.

‘무임승차’ 없이 다 함께 나아간다

우선 이들은 세포 기차의 속도가 길이에 관계없이 일정하다는 것을 알아냈다. 기차는 맨 앞의 기관차가 모든 칸을 끌고 가지만, 세포 기차의 경우 모든 칸이 모두 동기화된 상태로 나아간다는 것도 확인했다.

에두와드 한네조 ISTA 박사는 “첫 번째 세포가 모든 작업을 수행하며 다른 세포들을 끌고 간다면 기차 전체의 성능이 저하될 것”이라며 “하지만 세포 기차 내 모든 세포는 동일한 극성을 가지고 정렬하여 나아가며 전륜구동이 아닌 사륜구동처럼 움직인다”고 설명했다.

기차의 길이는 속도와 무관했지만, 기차의 너비는 속도를 줄였다. 기차처럼 한 줄로 이동하는 세포들에 비해 무리로 움직이는 세포들은 움직임이 느렸다. 서로 부딪히는 횟수가 많아지기 때문이다. 세포 간의 충돌은 세포의 정렬을 헤쳐 흐름을 방해하고, 전반적인 속도를 늦춘다. 시뮬레이션으로 모사한 결과는 벨기에 연구진의 인공 환경 실험에서도 확인됐다.

속도가 조금 느리더라도 무리로 이동할 때가 이득일 때도 있다. 세포가 막다른 길과 같은 복잡한 지형을 탐색할 경우다. 데이비드 브뤼크너 ISTA 박사는 “세포 기차는 막다른 길까지는 빨리 도착하지만, 각 세포의 극성이 잘 동기화되어 있어 방향을 바꾸기는 어렵다”며 “반면, 클러스터 구조는 많은 세포가 서로 다른 방향으로 극성화되어 있기 때문에 방향 전환이 훨씬 유리하다”고 말했다.

세포의 이동 양상을 이해하는 생명에 대한 이해를 넓히는 것은 물론 새로운 치료 전략을 수립하는 데도 도움이 된다. 가령, 혈류를 타고 이동하는 암세포의 이동을 파악하게 되면, 암 전이를 차단하는 새로운 표적을 찾을 수 있다.

한네조 박사는 “우리 연구진은 세포 간 상호작용을 이해하기 위한 새로운 물리학적 토대를 제시한 것으로, 새롭게 제시한 모델을 관련 연구자들이 세포의 이동을 분자 수준에서 더 깊게 연구하는 도구로 사용할 수 있을 것”이라며 “ 작은 세포 기차에서 분석한 행동을 전체 조직에서 살피면 세포의 대규모 이동에 대한 이해하는 데 기여할 것으로 기대한다”며 말했다.