새로운 연구에서 "조직 코드"가 풀렸으며, 단 5가지 규칙만으로 장기가 형성된다

수학적 모델링을 기반으로 인간 대장 세포가 시간이 지남에 따라 어떻게 재생되고 조직화되는지 보여주는 컴퓨터 생성 이미지. 출처: ChristianaCare

우리 몸은 매일 수십억 개의 세포를 교체하지만, 조직은 완벽하게 조직된 상태를 유지합니다. 어떻게 이런 일이 가능할까요?

크리스티아나케어(ChristianaCare)의 헬렌 F. 그레이엄 암센터 및 연구소와 델라웨어 대학교 연구팀은 그 해답을 찾았다고 믿습니다. 과학 저널 ' 세포 생물학(Biology of the Cell)' 에 발표된 새로운 연구에 따르면, 대장과 같은 조직의 복잡한 구조는 세포가 끊임없이 사멸하고 교체되는 상황에서도 신체가 어떻게 유지하는지 설명하는 데 단 다섯 가지 기본 법칙이 있을 수 있다고 합니다.

이 연구는 조직 구조와 세포 행동을 지배하는 규칙을 밝히기 위해 수학자와 암 생물학자가 15년 이상 협업한 결과입니다.

"이것은 생물학적 버전의 청사진일 수 있습니다."라고 크리스티아나케어(ChristianaCare)의 콜리 중개 암 연구 센터(Cawley Center for Translational Cancer Research) 선임 연구원이자 델라웨어 대학교(University of Delaware) 생명과학 및 수리과학과의 교수인 브루스 보먼(Bruce Boman, MD, Ph.D.) 박사는 말했다. "유전자의 작동 방식을 설명하는 유전 암호가 있는 것처럼, 우리 몸이 시간이 지나도 어떻게 그렇게 정밀하게 조직되어 있는지 설명하는 '조직 암호'도 있을 수 있습니다."

수학과 의학의 만남

연구진은 수학적 모델링, 즉 세포의 행동 방식을 컴퓨터로 시뮬레이션하는 방법을 사용하여, 소수의 규칙만으로 대장 내벽의 고도로 조직화된 구조를 설명할 수 있는지 확인했습니다. 대장은 연구에 이상적인 장소입니다. 대장 세포는 며칠마다 재생되지만, 전체적인 모양과 구조는 놀라울 정도로 안정적으로 유지되기 때문입니다.

연구팀은 수많은 시뮬레이션을 실행하고 모델을 개선한 후 세포의 구조와 행동을 지배하는 것으로 보이는 5가지 핵심 생물학적 규칙을 찾아냈습니다.

세포 분열의 시기.
세포가 분열되는 순서.
세포가 분열되고 이동하는 방향.
세포는 몇 번 분열하나요?
세포가 죽기 전까지 얼마나 오래 살 것인가.

"이러한 규칙들은 안무처럼 함께 작용합니다."라고 델라웨어 대학교 수리과학과의 길베르토 슐라이니거 박사는 말했습니다. "이 규칙들은 세포가 어디로 가는지, 언제 분열하는지, 그리고 얼마나 오랫동안 존재하는지를 조절합니다. 그리고 이것이 조직이 원래의 모습과 기능을 유지하도록 하는 것입니다."

인체 조직 디코딩

연구진은 이러한 규칙이 결장뿐만 아니라 피부, 간, 뇌 등 신체 전반의 다양한 조직에 적용될 수 있다고 생각합니다. 만약 사실이라면, 이 "조직 암호"는 과학자들이 손상 후 조직이 어떻게 치유되는지, 선천적 결손증이 어떻게 발생하는지, 그리고 이 암호가 손상되었을 때 암과 같은 질병이 어떻게 발생하는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

보만은 이를 다음과 같이 설명했습니다. "조직은 무작위로 성장하고 수축하는 것이 아닙니다. 조직은 자신이 어떤 모습이어야 하는지 알고 있으며, 손상 후에도 원래 상태로 돌아가는 방법을 알고 있습니다. 이러한 수준의 정밀성을 위해서는 일련의 지침이 필요합니다. 우리가 발견한 것은 바로 그러한 지침에 적합한 후보입니다."

이 연구는 인체의 모든 세포 유형을 지도화하는 글로벌 과학 협력 프로젝트인 휴먼 셀 아틀라스(Human Cell Atlas)에도 중요한 함의를 지닙니다. 휴먼 셀 아틀라스는 각 세포의 기능과 특정 시점의 활동을 목록화하는 것을 목표로 하지만, 이 새로운 연구는 이러한 세포들이 시간이 지남에 따라 어떻게 조직화되는지 이해할 수 있는 역동적인 프레임워크를 제공합니다. 세포의 행동과 조직 구조를 지배하는 간단하고 보편적인 규칙을 발견함으로써, 이 연구 결과는 세포를 기술할 뿐만 아니라 건강과 질병 상황에서 세포의 행동을 예측하기 위한 향후 연구의 방향을 제시할 수 있을 것입니다.

질병과 발견에 대한 의미

연구진이 전통적인 생물학 실험 대신 수학적 모델을 선택한 이유 중 하나는 조직의 모든 세포가 실시간으로 어떻게 행동하는지 관찰하는 것이 매우 어렵기 때문입니다. 하지만 컴퓨터 모델을 사용하면 연구자들은 시뮬레이션을 통해 눈에 보이지 않는 패턴과 역학을 밝혀낼 수 있습니다.

생물학과 수학의 이러한 협력은 과학자들이 복잡한 문제에 접근하는 방식에 있어 더 광범위한 변화를 반영합니다. 또한 국가적 우선순위와도 부합합니다. 미국 국립과학재단(NSF)의 "생명의 법칙(Rules of Life)" 프로젝트는 연구자들이 생명 체계를 지배하는 기본 원리를 밝혀내도록 촉구하고 있습니다. 이 연구는 그러한 방향으로 나아가는 중요한 발걸음입니다.

팀의 다음 단계로는 모델의 예측을 실험적으로 테스트하고, 추가 데이터로 모델을 개선하고, 암 생물학과의 관련성을 탐구하는 것이 포함됩니다. 특히 조직 코드의 중단이 어떻게 종양의 성장이나 전이로 이어질 수 있는지 알아봅니다.

"이건 시작에 불과해요." 슐라이니거는 말했다. "규칙을 파악하면 완전히 새로운 질문을 던질 수 있고, 어쩌면 잘못된 부분을 고치는 방법도 배울 수 있을 거예요."

이 프로젝트에는 미국 국립보건원, 미국 국립과학재단, 리사 딘 모즐리 재단, 델라웨어 생명과학 첨단기술센터(CAT), UNIDEL 대학원 연구 펠로우십의 자금이 지원되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250715043402.htm