배아가 스스로 조립

생물학적 과정은 퍼즐 조각들이 모여 상호작용하는 것에 달려 있습니다. 특정 조건에서 이러한 상호 작용은 외부 입력 없이 새로운 것을 만들 수 있습니다. 이것을 물고기 떼나 새 떼에서 볼 수 있듯이 자기 조직화라고 합니다. 흥미롭게도 포유류 배아도 비슷하게 발달합니다. ~ 안에 PNAS오스트리아 과학 기술 연구소(ISTA)의 David Brückner 및 Gašper Tkačik은 단일 세포에서 다세포 유기체까지의 자기 조직을 분석하는 수학적 프레임워크를 소개합니다.

배아가 발달하면 다양한 기능을 가진 많은 유형의 세포가 생성되어야 합니다. 예를 들어, 일부 세포는 눈의 일부가 되어 시각적 자극을 기록하는 반면, 다른 세포는 장의 일부가 되어 음식 소화를 돕습니다. 자신의 역할을 결정하기 위해 세포는 화학적 신호를 사용하여 끊임없이 서로 통신합니다.

이러한 커뮤니케이션 덕분에 개발 중에는 모든 것이 잘 동기화되고 조정되지만 이를 담당하는 중앙 제어 장치는 없습니다. 셀 집단은 개인 간의 상호 작용에 의해 자체 조직되고 조정됩니다. 각 셀은 이웃 셀의 신호에 반응합니다. 이러한 자기 조직화를 바탕으로 포유류 배아는 단일 수정란 세포에서 다세포 유기체로 발달합니다.

오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 David Brückner와 Gašper Tkačik은 이제 이 프로세스를 분석하고 최적의 매개변수를 예측하는 데 도움이 되는 수학적 프레임워크를 구축했습니다. PNAS에 게시된 이 접근 방식은 배아 발달 및 그 이후의 생물학적 자기 조직을 설명하는 통합된 수학적 언어를 나타냅니다.

자가 조립 배아

자연에서 자기 조직화는 우리 주변 어디에나 있습니다. 물고기 떼, 새 무리, 곤충 집단, 심지어 세포에 의해 조절되는 미세한 과정에서도 이를 관찰할 수 있습니다. NOMIS 연구원이자 ISTA 박사후 연구원인 David Brückner는 이론적 관점에서 이러한 프로세스를 더 잘 이해하는 데 관심이 있습니다. 그의 초점은 배아 발달, 즉 유전학과 세포가 서로 소통하는 복잡한 과정에 있습니다.

배아 발생 과정에서 수정된 단일 세포는 다양한 특징을 지닌 기관을 포함하는 다세포 배아로 변합니다. “이 발달 과정의 많은 단계에서 시스템에는 무엇을 해야 할지 지시하는 외부 신호가 없습니다. 패턴과 구조를 설정할 수 있는 시스템의 본질적인 속성이 있습니다.”라고 Brückner는 말합니다. “본질적인 속성은 자기 조직화로 알려진 것입니다.” 물리학자들이 “잡음”이라고 부르는 예측할 수 없는 요인에도 불구하고 배아 패턴은 안정적이고 일관되게 형성됩니다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 이 복잡한 과정을 주도하는 분자 세부 사항에 대해 더 깊은 이해를 얻었습니다. 그러나 성능을 분석하고 정량화할 수 있는 수학적 프레임워크가 부족했습니다. 정보 이론의 언어가 답을 제공합니다.

브리징 전문성

“정보 이론은 동일한 프로세스의 반복 집합인 통계적 앙상블의 구조와 규칙성을 정량화하는 보편적인 언어입니다. 배아 발달은 매우 유사하지만 동일하지 않은 기능성 유기체를 재현 가능하게 생성하는 프로세스로 볼 수 있습니다.” ISTA 교수이자 이 분야 전문가인 Gašper Tkačik은 말합니다. 오랫동안 Tkačik은 파리 배아와 같은 생물학적 시스템에서 정보가 처리되는 방식을 연구해 왔습니다. “초파리 배아에서는 패턴이 스스로 조직되지 않습니다.”라고 그는 계속합니다. “어미 파리는 세포에게 어떤 행동을 취해야 하는지 지시하는 화학 물질을 알에 넣습니다.” Tkačik 그룹은 이미 이 시스템을 위한 프레임워크를 개발했기 때문에 Brückner는 포유류 배아를 위한 프레임워크도 개발하기 위해 손을 뻗었습니다. “Gašper의 정보 이론 전문 지식을 활용하여 우리는 이를 하나로 통합할 수 있었습니다.”라고 Brückner는 신나게 덧붙였습니다.

배아 발달 너머?

배아 발달 동안 세포는 신호를 교환하며 지속적으로 무작위적이고 예측할 수 없는 변동(소음)을 겪습니다. 따라서 세포 상호작용은 강력해야 합니다. 새로운 프레임워크는 이러한 상호 작용이 소음을 견딜 수 있도록 최적화되는 방법을 측정합니다. 과학자들은 상호 작용하는 세포의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 변동이 발생하더라도 시스템이 여전히 안정적인 최종 결과를 얻을 수 있는 조건을 탐색했습니다.

프레임워크는 모두 화학적 및 기계적 신호에 의존하는 세 가지 다른 개발 모델에서 성공적인 것으로 입증되었지만 이를 개발 시스템의 실험 기록에 적용하려면 추가 작업이 필요합니다. “미래에는 더 많은 매개변수와 차원을 갖춘 더 복잡한 모델을 연구하고 싶습니다.”라고 Tkačik은 말합니다. “더 복잡한 모델을 정량화함으로써 우리는 발달 중인 배아에서 실험적으로 측정된 화학적 신호 패턴에 우리의 프레임워크를 적용할 수도 있습니다”라고 Brückner는 덧붙였습니다. 이를 위해 두 명의 이론 과학자가 실험가와 팀을 이룰 예정이다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240603114353.htm