생체의 안전벨트 역할을 해낼 수 있을까, 더블 네거티브 피드백

지난 9월, 우리학과 조광현 교수 연구팀은 체내에서 발생하는 신호의 빠르기를 탐지하는 신호전달물질 네트워크 구조를 밝혀냈다. 이 연구내용은 권위 학술지 PLOS one에 게재되었다.

할머니의 냉장고, 항상성

어릴 적, 할머니의 냉장고를 정말 좋아했다. 집에서는 부모님이 요구르트 마시는 것을 쉽게 허락해주지 않으셨지만, 할머니는 마음껏 냉장고에서 꺼내 먹으라고 하셨기 때문이다. 할머니의 냉장고에는 신기한 점이 하나 있었다. 아무리 요구르트를 꺼내 먹어도 요구르트의 개수는 변함이 없었다. 다음날이 되면 다시 가득 찬 냉장고에서 요구르트를 꺼내 먹곤 했다. 항상 요구르트의 개수가 유지되던 할머니의 냉장고처럼, 우리 몸 또한 몸의 현재 상태를 유지하려는 성향이 있는데, 우리는 이를 ‘항상성’이라 부른다.

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어린 시절 좋아하던 요구르트 ⓒ http://soraouji.com

항상성은 왜 중요한가

인체는 매우 정교한 시스템이다. 신경 세포 하나만 보더라도, 간단한 신호 하나를 전달하기 위해서 이온 펌프가 세포 안팎의 이온들의 농도를 정교하게 맞춰주고 있고 다른 전류 신호나 불필요한 물질이 들어가게 하지 않기 위해 신경 아교 세포가 신경 세포를 보호하고 있다. 이 여러 가지 요소 중 하나만 잘못되더라도 신경 세포는 제 역할을 하지 못한다. 따라서 항상성은 신체를 제대로 작동시키기 위한 최소한의 성질이다. 항상성이 깨지는 것을 막기 위해, 신체에는 반응 시스템이 존재하는데, 이 시스템은 신체를 이루는 구성 요소의 변화를 감지하고 이를 조절하는 역할을 한다.

변화의 빠르기가 중요한 안전벨트 시스템

우리 몸의 반응 체계는 체액 속의 혈당량이나 이온의 농도, 산성도가 너무 낮아지거나 높아지지 않는지를 항상 측정하며 위험을 감지하고 항상성을 유지한다. 그러나 이러한 농도 만을 측정한다고 해서 인체에서 벌어질 수 있는 위험을 모두 측정할 수 있는 것은 아닐 수 있다. 예를 들어 자동차의 안전벨트는 충돌 시, 탑승자를 의자에 고정하여 차 밖으로 이탈하는 것을 막아준다. 이런 안전벨트 시스템은 속도에 따라 작동하지 않는다. 만약 높은 속도로 달릴 경우에만 안전벨트가 탑승자를 고정한다면, 외부에서 충돌이 있을 경우에는 안전벨트가 탑승자를 보호해주지 못할 것이다. 안전벨트 시스템에 있어서 가장 중요한 것은 속도의 변화량이다. 급격하게 탑승자의 속도가 변할 경우, 안전벨트가 잠기면서 탑승자를 고정해 탑승자가 차체 밖으로 튕겨 나갈 위험을 막아준다. 이처럼 급격한 변화는 안전과 직결되는 경우가 많으므로 우리 신체에도 이러한 인체의 급격한 변화를 감지하는 시스템이 있을 것이란 추측을 해 볼 수 있다. 실제로 이전 연구들에 따르면, 생체를 이루는 세포들이 인체의 급격한 변화를 알아낼 수 있다고 한다. 하지만 세포들이 어떻게 느린 변화와 빠른 변화를 구분해 내는지는 미궁에 쌓여있었다.

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탑승자의 속도 변화를 체크해 잠기는 안전벨트 ⓒ getty image

생체 안전벨트 시스템의 기본 원리, 더블 네거티브 피드백

박상민 박사과정 학생(지도교수 조광현)은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 변화의 빠르기를 구분해 내는 세포의 원리를 알아냈다. 시뮬레이션을 통해 가능한 신호전달 물질의 네트워크를 모두 만들고 변화의 빠르기를 효과적으로 관측할 수 있는 네트워크가 어떤 것인지 하나하나 시험해보았다. 그리고 그런 네트워크를 최소 단위로 다시 쪼개면서, 어느 단위부터 신호의 빠르기를 구분해내는 것이 가능한지를 검토했다.

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Regulated Double Negative Feedback의 구조 ⓒ Sang-min Park

많은 종류의 네트워크 단위 중, 조절되는 더블 네거티브 피드백(Regulated Double Negative Feedback)이 신체에서 일어나는 변화의 빠르기를 측정하는 데에 가장 기본적인 요소로 쓰일 수 있다는 것을 발견했다. 이 네트워크에 급속하게 변하는 신호와 점진적으로 변하는 신호 두 가지 신호를 줘본 결과, 네트워크의 반응이 뚜렷하게 구분되는 것을 관찰할 수 있었다.

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급격한(Acute) 신호 변화와 점진적인(Gradual) 신호 변화, 두 가지 변화에 대한 조절 되는 더블 네거티브 피드백의 반응 ⓒ Sang-min Park

위 그림에서 볼 수 있듯이, 급격한 신호 변화가 있을 때는 N₂가 크게 반응하고 N₃는 반응하지 않는다. 하지만 느린 신호 변화가 있을 때는 N₂는 반응하지 않고 N₃가 크게 반응한다. 이러한 네트워크의 반응 변화는 신호 변화 빠르기를 구분하는 핵심이다.

이 시스템을 어떻게 이용할 수 있을까

이로써 세포가 더욱 다양한 정보의 신호를 해석할 수 있다는 것을 확인했고, 이를 이용하여 세포의 외부 환경 대응 체재를 좀 더 깊게 이해하는 데에 다가갈 수 있었다. 이 신호 해석 메커니즘을 이용하면 생체가 더 다양한 위험에 대비할 수 있는 방법을 개발해 낼 수 있을 것이며, 체내의 급격한 농도 변화를 일으키는 약물에 의한 부작용을 줄이는 방법에 대한 연구에도 박차를 가할 수 있을 것이라 기대해 볼 수 있을 것이다.

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초기 발달 과정에서 수정체는 여러 가지 기능을 가진 세포들로 분화한다. ⓒ Sichun University

송영조 기자 (syj1455@kiast.ac.kr)

참고자료:

Sang-Min Park, Sung-Young Shin, Kwang-Hyun Cho; A Regulated Double-Negative Feedback Decodes the Temporal Gradient of Input Stimulation in a Cell Signaling Network; PLOS one

작성자: 송영조