초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
생명체가 어떻게 생체 내에서 일어나는 개별 화학반응들의 근본적인 불확실성과 세포환경의 불균일성을 극복하고 각종 생명기능의 발현과 유지에 필요한 질서를 구현해 내는지는 아직도 신비로운 수수께끼이다. 생명체가 생명 기능을 정상적으로 발현하고 유지하기 위해서는 생체 내에서 일어나는 화학 반응들의 생성 분자 개수와 반응 시간의 통계적 요동을 일정한 범위 내로 유지해야 하는데 만약 이에 실패할 경우 그 생명체는 질병에 걸리거나 생명기능이 정지하게 된다. 생명체가 생체기능 발현과 유지에 필요한 생체분자 농도와 반

□ 연구의 목적 및 내용
생명체가 어떻게 생체 내에서 일어나는 개별 화학반응들의 근본적인 불확실성과 세포환경의 불균일성을 극복하고 각종 생명기능의 발현과 유지에 필요한 질서를 구현해 내는지는 아직도 신비로운 수수께끼이다. 생명체가 생명 기능을 정상적으로 발현하고 유지하기 위해서는 생체 내에서 일어나는 화학 반응들의 생성 분자 개수와 반응 시간의 통계적 요동을 일정한 범위 내로 유지해야 하는데 만약 이에 실패할 경우 그 생명체는 질병에 걸리거나 생명기능이 정지하게 된다. 생명체가 생체기능 발현과 유지에 필요한 생체분자 농도와 반응시간 조절을 어떤 반응 과정들을 통해 구현하며 얼마나 정확하게 구현할 수 있는 지, 더 나아가 각종 외부 자극들이 생체기능 조절을 어떻게 돕거나 방해하는 지를 정량적으로 연구하며 이에 필요한 “확률적 생체반응 속도론”을 개발 및 정립한다.

□ 연구결과
1) 세포 내 화학 반응에서도 만족되는 일반적인 화학요동법칙 (Chemical fluctuation theorem)을 얻어냄. 활성화 상태 유전자의 전사 반응 동력학을 기존 접근법의 한계를 넘어 일반적인 확률과정으로 모델링하여 세포 내 mRNA 도수 통계분포와 유전자 전사과정 동력학간의 관계를 최초로 규명하고 해석을 시도하지 못했거나 제대로 해석되지 않았던 실험 결과들을 설명하는데 성공함.
2) 확률적으로 발생하는 사건 사이의 상관관계를 무시하는 연속 시간 무작위 걸음 방법론의 한계를 넘어 상관관계를 무시하지 않고 정확하게 취급하는 방법론을 제시함. 이를 활용하여 다수의 내부 반응이 직렬로 연결된 역동적 반응 네트워크의 경우 반응 시간 요동과 화학적 요동 사이의 일반적인 관계를 정립하는 데 성공함.
3) 생성물 도수 요동의 시간 상관 함수의 푸리에 변환에 대한 간단하고도 일반적인 해석적 표현을 얻음. 이를 통해 새로운 관찰량으로서의 생성물 도수 요동을 실질적으로 활용하는 길을 열음.
4) 고전적 마스터 방정식에 기반한 기존의 이론의 한계를 넘어 다수의 활성자리를 가지는 효소 혹은 다수 효소 반응계의 촉매 반응 시간 분포에 대한 해석적 표현을 엄음. 이를 통해 설명할 수 없었던 실험 결과들을 설명하는데 성공함.

□ 연구결과의 활용계획
본 연구과제에서 개발 및 정립되는 “확률적 생체반응 속도론”은 복잡한 세포환경과 연동되어 있는 생체 내 화학반응 네트워크의 화학적 요동을 정량적으로 기술할 수 있는 최초의 방법론으로 여기에서 개발되는 수학적 방법론은 단일분자 동력학과 분광학, 반응속도론, 비평형 통계역학 등 물리화학 관련 타 학문 분야 발전에도 크게 기여할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 현대 시스템 생물학과 유전학, 화학 생물학, 생물리학 등 생명과학관련 학문분야에도 생명체에 대해 행해진 실험 결과의 정량적 해석과 예측을 시도 하는 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다. 상당수의 질병은 궁극적으로는 생명체가 생명체에서 일어나는 생화학 반응 과정을 필요한 만큼 정확하게 조절하는 데 실패하여 일어난다. 그렇기 때문에 생명체가 잃어버린 생화학 반응 과정에 대한 조절 능력을 회복하도록하여 질병치료가 가능하다. 본 과제 제안서에서 제안하는 연구를 통해 얻어질 생명체의 화학 반응 과정 조절 기작과 한계에 대한 지식과 이해는 세포의 생체반응 조절 능력을 회복시켜 질병을 치료하는 새로운 의학적 방법들을 개발하는데도 기여 할 수 있을 것이다.

(출처 : 한글요약문 5p)

Abstract ▼

□ Purpose&contents
It is a great mystery how life forms achieve an order, required to develop and sustain their lives, out of fundamentally stochastic chemical processes occurring in complex cell environment. Pursuing the mystery, we aim to find the answers to the following questions: how and how

□ Purpose&contents
It is a great mystery how life forms achieve an order, required to develop and sustain their lives, out of fundamentally stochastic chemical processes occurring in complex cell environment. Pursuing the mystery, we aim to find the answers to the following questions: how and how accurately life forms can control the intracellular chemical fluctuation, such as the fluctuation in the population of biomolecules or that in the time elapsed for intracellular processes, and how the intracellular chemical fluctuation affects the control capacity of life forms over their biological functions.

□ Result
By taking the new approach proposed in this proposal, we discover the chemical fluctuation theorem (CFT), which accurately describes the relationship between the microscopic dynamics of gene expression and the cell-to-cell variation in the gene expression level. Combined with a new mathematical description of the transcription rate coupled to cell environmental variables and to a control variable, CFT provides a unified, quantitative explanation of mRNA counting statistics for various recently investigated experimental systems. We demonstrate that new information regarding the mechanism and dynamics of the transcription process can be extracted from the dependence of the non-Poisson mRNA noise on the mean mRNA level in three different experimental systems.

□ Expected Contribution
Our research will present a new paradigm for quantitative or physical chemical investigation into the stochastic biological behaviours of living cells, which cannot be achieved by the previous theories on the basis of the rate constant concept or its marginal generalization to time-dependent rate concept. Academic achievements in this work would be of interest in a variety of scientific communities. The theoretical part of the proposed research marks a breakthrough in a few branches of physical science, namely chemical kinetics, probability theory or counting statistics, and non-equilibrium statistical mechanics. The unprecedented quantitative analyses and predictions made for various living cell systems may be of interest in systems biology or synthetic biology, chemical biology, and biophysics.

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 19
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 20
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 20
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 20
• 8. 참고문헌 ... 20
• 9. 연구성과 ... 21
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 21
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 22
• 12. 기타사항 ... 22
• 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 23
• 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 30
• 끝페이지 ... 34