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생명의 항상성 유지비법 “강건성” 규명돼

2007-08-15

생명의 항상성 유지에 핵심이 되는 강건성(robustness) 문제가 국내 연구진의 가상세포 연구를 통해 규명됐다.



과학기술부는 KAIST(총장 서남표) 생명화학공학과 이상엽(43세, 특훈교수/LG화학 석좌교수) 교수팀과 바이오융합연구소 소속 물리학과 정하웅(38세) 교수팀이 공동으로 가상세포를 이용, 생명체의 필수대사물질을 발굴하고 생명활동의 항상성에 핵심이 되는 강건성(robustness) 문제를 규명해 미 국립과학원회보(PNAS)에 발표했다고 14일 밝혔다.



항상성이란 지구상에 존재하는 생명체들이 다양한 환경 때문에 체내, 체외의 생명활동을 끊임없이 변화시키면서도 어느 범위 내에서는 일정하게 유지시키고자 하는 경향을 말한다. 이러한 항상성을 유지할 수 없게 되면 세포는 더 이상 성장하지 않고 사멸하게 된다. 항상성을 유지하고자 하는 세포의 활동과 그 결과는 ‘강건성’(robustness)이라는 현상으로 나타나게 된다.



연구팀은 대장균 가상세포를 이용한 컴퓨터 모의실험을 실시했는데, 이 과정에서 생명체에 필수적인 다량의 대사물질들을 발굴했으며 이를 실제 실험을 통해 검증했다. 이를 바탕으로 연구팀은 미생물의 신진대사 과정에 참여하는 모든 종류의 대사물질 각각이 생명체의 생존에 얼마만큼 필수적인지 나타내는 ‘대사산물 필수성’(metabolite-essentiality)이라는 새로운 개념의 척도를 제안했다.



연구팀은 각 대사물질이 체내에서 사용되는 빈도를 플럭스섬(flux-sum)이라는 양으로 정량화했고, 체내의 여러 교란작용에도 불구하고 필수대사물질이 플럭스섬을 일정하게 유지해 생명활동의 강건성을 보장한다는 사실을 밝혀냈다. 즉, 필수대사물질 생산에 관여하는 유전자들의 활동을 억제하면 생명체 전체의 강건성 유지에 위협이 생겨 성장억제, 사멸로 이어질 수 있게 된다는 설명이다.



현재 의료분야에서 시판되고 있는 병원성 미생물에 대한 항생제들의 경우, 표적으로 삼고 있는 유전자들이 병원체의 특정 부위에 관여하는 유전자들로 한정돼 있어 그 종류가 매우 제한적이다. 게다가 최근에는 항생제 남용으로 인해 생겨난 내성 때문에 어떤 항생제로도 치료할 수 없는 ‘슈퍼박테리아’ 등이 출현하는 등 인류의 건강이 위협받고 있는 실정이다.




연구팀은 “이런 점에서 이번 연구는 병원체의 생존에 필수적인 대사물질의 생산에 관여하는 다수의 새로운 유전자 표적을 찾을 수 있어 해당 병원체를 쉽게 죽일 수 있는 길을 열어준 것으로 평가할 수 있다”면서 “기존의 항생제들과 구분되는 다양한 항생제 개발이 가능해지게 됐다는 점에서도 큰 의의가 있다”고 밝혔다.



이번 연구결과는 최근 부각되고 있는 첨단 분야인 시스템 생물학 연구기법을 이용해, 세계 최초로 필수대사물질을 체계적으로 발굴하고 생명활동의 강건성 문제를 탐구했다는 점에서 의미가 깊으며, 나아가 신약 개발의 가능성까지 도출됐다는 점에서도 의미가 상당한 것으로 평가되고 있다.



아울러 이제까지 생명활동의 강건성 문제를 보는 기존의 시각, 즉 각 대사반응과 유전자 중심으로 보는 시각 자체를 완전히 바꾼 획기적인 접근법이라는 점으로 인해 주목받고 있다. 연구팀은 이러한 성과를 바탕으로 다양한 병원성 균주의 항생제 개발 후보를 발견하는 방법을 특허 출원했다. 이번 연구는 과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업의 지원을 통해 이뤄졌다.

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