수학으로 ‘생체리듬’ 설계했더니, 실제로 움직여

국내 수학자가 이론적으로 설계한 생체리듬을 미국 연구진이 실제로 구현하는 데 성공했다.

매슈 베닛 미국 라이스대 생명과학과 교수팀은 합성생물학 기술을 이용해 김재경 KAIST 수리과학과 교수가 설계한 미생물 시스템을 직접 만들어 ‘사이언스’ 28일 자에 발표했다.

합성생물학은 생명체를 구성하는 유전자와 단백질 등을 인공적으로 합성해 생물학적 시스템을 설계하고 만들어내는 분야다. 하지만 아직까지는 걸음마 단계다.

세포분열이나 심장박동, 호흡, 수면 등 생물체 내 여러 시스템이 상호작용하며 만들어내는 안정적인 생체주기를 인공적으로 구현하는 수준까지는 이르지 못하고 있다. 가령 체온이 오르내리는 간단한 생체리듬에도 여러 종류의 생체회로가 관여할 만큼 복잡하기 때문이다.

김 교수는 수식을 이용해 생명체가 다양한 환경에서 안정적인 리듬을 유지할 수 있게 해 주는 생물학적 회로를 고안했다. 유전자와 단백질을 변수로 삼아 일종의 소프트웨어 알고리즘을 만든 것이다.

베닛 교수팀은 김 교수의 알고리즘을 이용해 유전자와 단백질을 인공적으로 만든 뒤 대장균에 집어넣어 인공 미생물을 만들었다. 김 교수의 회로가 정상적으로 작동할 경우 단백질에서 빛이 깜빡이며 생체리듬을 확인할 수 있도록 했다.

결과는 성공적이었다. 단백질에서 빛이 깜빡이면서 인공 미생물은 안정적인 생체리듬을 유지하고 있음을 알렸다. 김 교수는 “인공 생체회로 2개를 설계해 안정적인 생체리듬을 구현했다”며 “아직은 기초 단계지만 앞으로 미생물을 이용해 의료용 물질을 생산하는 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

매슈 베닛 교수팀이 김재경 KAIST 교수의 설계를 토대로 만든 인공 생명체. 두 종류의 형광 단백질이 활성과 비활성을 반복하며 실제 생명체처럼 생체리듬을 갖고 있음을 알 수 있다. - 사이언스 제공