유전자 발현 지배하는 '화학요동법칙' 발견

성재영 중앙대 교수 "생명현상 물리 화학적 연구 새로운 패러다임"
프로모터 세기 변화에 따른 mRNA의 농도 요동 실험 결과 해석.<사진=한국연구재단 제공>프로모터 세기 변화에 따른 mRNA의 농도 요동 실험 결과 해석.<사진=한국연구재단 제공>

국내 연구팀이 세포의 유전자 발현량을 조절하는 물리화학 법칙을 발견했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 성재영·윤상운·김지현 중앙대 교수 연구팀과 필립 김 토론토대학 교수 연구팀이 공동으로 세포 내에서 생성되고 소멸되는 분자들의 농도 요동을 지배하는 법칙인 '화학요동법칙'을 발견했다고 30일 밝혔다.

모든 생명 기능들은 세포 내 유전자에 저장된 정보를 mRNA와 단백질로 발현하고 이들을 소멸시키는 화학 반응들을 통해 구현된다.

화학 반응들은 근본적으로 불확실성을 내재한 확률과정이다. 때문에 똑같은 유전자를 가진 세포들도 mRNA와 단백질 농도가 세포마다 달라 세포의 성질과 기능이 다양하다.

하지만 이러한 현상을 물리 화학적 모델로 설명하거나 예측하는 것은 불가능에 가까웠다. 유전자 발현과정을 구성하는 화학 반응 과정들이 복잡한 확률과정이기 때문이다.

연구팀은 이같은 난제를 해결하기 위해 아무리 복잡한 확률과정을 거쳐 생성·소멸되는 분자들에 대해서도 농도의 요동이 따르게 되는 '화학요동법칙'을 발견했다.

연구팀은 화학요동법칙을 유전자 발현 과정에 적용했다. 유전자가 같은 세포들의 mRNA와 단백질 개수 조절 능력이 유전자 종류나 화학적 환경변화에 따라 변화하는 정도를 측정했다. 이러한 과정에서 유전자 발현과정에 대한 새로운 물리 화학적 모델을 구축하는데 성공했다.

성재영 교수는 "이번 연구는 생명현상을 수학적 연역과 물리 화학적 모델을 사용해 정량적으로 설명·예측하는 새로운 연구 패러다임을 제시한 것"이라며 "세포의 생명 기능 조절 능력을 회복시켜 질병을 치료하는 새로운 의학적 방법을 제시하는데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 네이처 저널 그룹의 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 19일 자로 게재됐다.
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