중앙대 성재영 교수 연구진이 세포 내에서 생성되고 소멸되는 분자들의 농도 요동을 지배하는 법칙인 ‘화학요동법칙‘을 발견해 생명현상의 신비를 근본적으로 이해하는데 한걸음 다가섰다.

한국연구재단은 중앙대 성재영, 윤상운, 김지현 교수와 토론토대 필립 김 교수가 공동연구를 통해 세포 내에서 생성되고 소멸되는 분자들의 농도 요동을 지배하는 법칙인 ‘화학요동법칙‘을 발견했다고 30일 밝혔다.

생명체가 어떻게 무질서한 화학반응과정들로부터 생명기능 개발과 유지에 필요한 질서를 구현하는지는 자연과학분야의 가장 중요한 질문 중 하나이다.

세포의 유전자 발현 조절 능력에 영향을 미치는지에 대한 연구가 급증했지만 유전자 발현과정을 구성하는 화학반응 속도를 정확하게 기술하는 모델이나 이론이 없어 이 실험 결과들을 정량적으로 이해하는 것은 불가능 한 일로 생각되어 왔다.

현재 시스템 생물학 분야에서 주로 사용하고 있는 이론은 1945년 노벨 물리학상을 수상했던 파울리가 개발한 마스터 방정식 접근법을 화학반응과정에 적용한 것인데, 이 접근법은 1901년 첫 노벨 화학상 수상자인 반트호프가 제안한 화학반응속도론에 기초하고 있다.

그러나 세포 내 화학반응이 아닌 경우에도 분자 생성과 소멸과정의 속도를 간단한 속도상수개념에 기초하여 설명할 수 없는 경우는 얼마든지 있고, 이런 경우 기존 화학반응 속도이론이나 마스터 방정식으로는 기술이 불가능하다.

그 이유는 유전자 발현과정을 구성하는 화학반응과정들이 기존 모델이나 이론들이 가정하는 것보다 훨씬 복잡한 확률과정이기 때문이다.

연구팀은 이 난제를 해결하기 위해 아무리 복잡한 확률과정을 거쳐 생성 및 소멸되는 분자들에 대해서도 그 농도의 요동이 따르게 되는 ‘화학요동법칙’을 수학적 연역을 통해 최초로 발견했다.

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, 이 과정에서 유전자 발현과정에 대한 새로운 물리화학적 모델을 구축하는데 성공했다.

이 연구 결과는 지난 백년 간 널리 받아들여진 반트호프의 화학반응속도론과 파울리의 마스터 방정식 접근법의 기본 가정들이 세포 내 화학 반응에 대해서는 성립하지 않는다는 것을 선명하게 보여주고 이 문제에 대한 해결책을 제시하는 것이다.

연구팀은 더 나아가 화학요동법칙을 사용하여 세포 내 mRNA 소멸과정 기작에 따라 세포의 mRNA 농도 조절 능력이 변화하는 것을 예측하고, 이 예측이 정확한 전산모사결과와 일치함도 보여주었다.

살아있는 세포 실험 결과에 대한 이와 같은 정량적 설명과 예측은 과학사상 전례가 없는 성과이다.

성재영 교수는 “이 연구는 생명현상을 수학적 연역과 물리화학적 모델을 사용하여 정량적으로 설명‧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.

한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원으로 수행된 이 연구 성과는 순수이론 논문으로서는 매우 이례적으로 네이쳐 저널 그룹의 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 1월 19일 게재되었다. (논문명 : The Chemical Fluctuation Theorem governing gene expression)