처음부터 시계 장치: 과학자들이 시간 측정 세포를 만든 방법

시계와 물결선으로 연결된 점을 묘사한 그림은 세포가 시간을 어떻게 표현하는지 보여줍니다. 출처: UC 머세드

UC 머세드 연구진은 작은 인공 세포가 생물의 일상 리듬을 모방하여 시간을 정확하게 유지할 수 있음을 보여주었습니다. 이 발견은 세포 내부의 분자적 잡음에도 불구하고 생물학적 시계가 어떻게 정해진 시간을 유지하는지 밝혀냈습니다.

최근 Nature Communications 에 게재된 이 연구는 생명공학과 아난드 발라 수브라마니암 교수와 화학 및 생화학과 앤디 리왕 교수가 주도했습니다. 제1저자인 알렉산더 장 투 리는 수브라마니암 교수 연구실에서 박사 학위를 받았습니다.

생체 시계(일주기 리듬이라고도 함)는 수면, 신진대사 및 기타 중요한 과정을 조절하는 24시간 주기를 관장합니다. 남세균의 일주기 리듬 메커니즘을 탐구하기 위해 연구진은 소포(vesicle)라고 불리는 단순화된 세포 유사 구조에서 생체 시계를 재구성했습니다. 이 소포에는 핵심 생체 시계 단백질이 담겨 있었고, 그중 하나에는 형광 표지가 부착되어 있었습니다.

인공 세포는 최소 4일 동안 24시간 주기로 규칙적인 빛을 발했습니다. 그러나 생체시계 단백질의 수를 줄이거나 소포의 크기를 줄이자, 이러한 리듬감 있는 빛은 멈췄습니다. 리듬의 상실은 재현 가능한 패턴을 따랐습니다.

이러한 결과를 설명하기 위해 연구팀은 계산 모델을 구축했습니다. 이 모델은 시계 단백질 농도가 높을수록 시계가 더욱 강력해져 수천 개의 소포가 단백질 양이 소포마다 약간씩 다르더라도 안정적으로 시간을 측정할 수 있음을 보여주었습니다.

이 모델은 또한 유전자를 켜고 끄는 역할을 하는 자연적 일주기 시스템의 또 다른 구성 요소가 개별 생체 시계를 유지하는 데 중요한 역할을 하지 않지만, 인구 전체에서 생체 시계 타이밍을 동기화하는 데 필수적이라고 제안했습니다.

연구자들은 또한 일부 시계 단백질은 소포 벽에 달라붙는 경향이 있는데, 이는 적절한 기능을 유지하려면 높은 총 단백질 수가 필요하다는 것을 의미합니다.

수브라마니암은 "이 연구는 우리가 단순화된 합성 시스템을 사용하여 생물학적 시간 측정의 핵심 원리를 분석하고 이해할 수 있음을 보여줍니다."라고 말했습니다.

오하이오 주립 대학의 미생물학 교수이자 생체시계 전문가인 밍슈 팡은, 수브라마니암과 리왕이 이끈 연구는 생물학적 시계를 연구하는 방법론을 발전시켰다고 말했습니다.

"시아노박테리아의 생체 시계는 본질적으로 잡음이 많은 느린 생화학 반응에 의존하며, 이러한 잡음을 완화하기 위해 높은 생체 시계 단백질의 양이 필요하다는 주장이 제기되었습니다."라고 팡 박사는 말했습니다. "이 새로운 연구는 세포 크기를 모방하는 크기 조절 소포 내에서 재구성된 생체 시계 반응을 관찰하는 방법을 제시합니다. 이 강력한 도구는 서로 다른 세포 크기를 가진 생물이 어떻게 그리고 왜 서로 다른 시간 측정 전략을 취하는지 직접적으로 검증할 수 있게 해 주며, 이를 통해 다양한 생명체의 생물학적 시간 측정 메커니즘에 대한 우리의 이해를 심화시킵니다."

수브라마니암은 생명공학과 교수이자 보건과학연구소(HSRI) 소속입니다. 리왕은 화학 및 생화학과 교수이자 HSRI 소속입니다. 그는 미국 미생물학회 회원이며, 단백질학회(The Protein Society)에서 수여하는 2025년 도로시 크로풋 호지킨상(Dorothy Crowfoot Hodgkin Award) 수상자입니다.

이 연구는 수브라마니암이 미국 국립과학재단(NSF) 재료연구부의 CAREER 상과 리왕에게 수여된 미국 국립보건원(NIH) 및 육군연구소(Army Research Office)의 연구비 지원을 받았습니다. 리왕은 UC 머세드(UC Merced)의 NSF CREST 세포 및 생체분자 기계 센터(NSF CREST Center for Cellular and Biomolecular Machines)의 펠로우십을 통해 연구비를 지원받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250729001222.htm