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(왼쪽부터) 성재영·김지현·윤상운 교수
우리대학 창의연구단(세포화학동력학 연구단) 단장 성재영 교수(화학과)는 윤상운 교수 (화학과), 김지현 교수 (세포화학동력학 연구단) 그리고 필립 김 교수 (토론토대학 Donnelly Centre)와 공동연구를 통해 세포 내에서 생성되고 소멸되는 분자들의 농도 요동을 지배하는 수학법칙인 ‘화학요동법칙‘을 발견하고 이 법칙을 세포 내 생성-소멸되는 mRNA와 단백질 요동이 실제로 따르는 것을 보여주어 관련 학계로 부터 비상한 관심을 받고 있다.
모든 생명 기능들은 세포 내 유전자에 저장된 정보를 mRNA와 단백질로 발현하고 이들을 소멸시키는 화학반응들을 통해 구현된다. 이 화학반응들이 근본적으로 불확실성을 내재한 확률과정이기 때문에 똑같은 유전자를 가진 세포들도 mRNA와 단백질 농도가 세포마다 크게 달라 세포의 성질과 기능이 다양할 수 있다는 것은 알려진 사실이다. 하지만 이 현상을 물리화학적 모델로 설명하거나 예측하는 것은 불가능에 가까운 것으로 여겨져 왔다.그 이유는 유전자 발현과정을 구성하는 화학반응과정들이 기존 모델이나 이론들이 가정하는 것보다 훨씬 복잡한 확률과정이기 때문이다.
[다양한 전사 모델에 대한 화학요동법칙 적용 결과 및 대장균 mRNA의 개수 조절 능력 정량적 해석]
연구팀은 이 난제를 해결하기 위해 아무리 복잡한 확률과정을 거쳐 생성 및 소멸되는 분자들에 대해서도 그 농도의 요동이 따르게 되는 ‘화학요동법칙’을 수학적 연역을 통해 발견하였다. 이 결과를 유전자 발현과정에 적용하여 유전자가 같은 세포들의 mRNA 및 단백질 개수 조절 능력이 유전자 종류나 화학적 환경변화에 따라 변화하는 정도를 측정한 다양한 실험 결과들을 일관되게 설명하고, 유전자 발현과정에 대한 새로운 물리화학적 모델을 구축하는데 성공하였다.
이 연구 결과는 지난 백년 간 널리 받아들여진 반트호프 (1901년 노벨화학상 수상자)의 화학반응속도론과 파울리 (1945년 노벨 물리학상 수상자)의 마스터 방정식 접근법의 기본 가정들이 세포 내 화학 반응에 대해서는 성립하지 않는다는 것을 선명하게 보여주고 이 문제에 대한 해결책을 제시한 것이다.
[프로모터 세기 변화에 따른 mRNA의 농도 요동 실험 결과 해석]
연구팀은 더 나아가 화학요동법칙을 사용하여 세포 내 mRNA 소멸과정 기작에 따라 세포의 mRNA 농도 조절 능력이 변화하는 예측하고 이 예측이 전산모사결과와 정확하게 일치함도 보여주었다. 살아있는 세포 실험 결과에 대한 이와 같은 정량적 설명과 예측은 과학사상 전례가 없는 성과이다.
성재영 교수는 “이번 연구가 생명현상을 수학적 연역과 물리화학적 모델을 사용하여 정량적으로 설명하고 예측하는 새로운 연구 패러다임을 제시한 것"으로 학문적 의미를 부여하며, ”이 새로운 방향의 연구가 생명체들이 어떤 방식으로 얼마나 정확하게 다양한 생명 기능들을 구현하고 조절하는지를 물리화학적으로 이해하고, 세포의 생명기능 조절 능력을 회복시켜 질병을 치료하는 새로운 의학적 방법을 제시하는데 기여할 수 있을 것“으로 전망했다.
이 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원으로 수행되었다. 연구 성과는 순수이론 논문으로서는 매우 이례적으로 네이쳐 저널 그룹의 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 1월 19일 게재되었다. [논문보기]
