바이오융합연구소 소속 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 43세, 특훈교수/LG화학 석좌교수) 교수팀과 물리학과 정하웅(鄭夏雄, 38세) 교수팀이 공동으로 가상세포를 이용, 생명체의 필수대사물질 발굴 및 생명활동의 항상성에 핵심이되는 강건성 (robustness) 문제 규명에 성공했다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA)에 게재된다.

지구상에 존재하는 생명체들은 인간의 체내와 체외는 물론 심해, 심지어는 화산 속 등, 다양한 환경에서 생명활동을 변화시키게 되지만 어느 범위내에서 일정하게 유지하려고 하는 경향이 있으며 이러한 현상을 생명활동의 항상성이라고 부른다. 이러한 항상성을 유지할 수 없게 될 때 세포는 더 이상의 성장을 멈추고 사멸하게 된다. 항상성을 유지하고자 하는 세포의 활동 및 그 결과는 강건성 (robustness)이라는 현상으로 나타나게 된다. 연구팀은 대장균 가상세포를 이용한 컴퓨터 모의실험을 통하여, 미생물의 신진대사 과정에 참여하는 모든 종류의 대사물질들에 대해 각 대사물질이 생명체의 생존에 얼마나 필수적인지를 나타내는 척도인 대사산물 필수성 (metabolite-essentiality)이라는 새로운 개념을 제안하였다. 그 결과, 생명체에 필수적인 대사물질들을 대량으로 발견해낼 수 있었으며, 이를 실제 실험을 통해 검증하였다.

연구팀은 각 대사물질이 체내에서 사용되는 빈도를 플럭스섬(flux-sum)이라는 양으로 정량화하였고, 필수대사물질은 체내의 여러 교란에도 불구하고 바로 이 플럭스섬을 일정하게 유지하여 생명활동의 항상성을 보장한다는 사실을 밝혀내었다. 따라서 필수대사물질의 생산에 관여하는 유전자들의 활동을 억제하여 생명체 전체의 항상성 유지에 위협을 주는 경우 생명체의 성장억제나 사멸로 이어진다는 사실을 보여주었다.

현재 의료분야에서 시판되고 있는 병원성 균주에 대한 항생제들의 경우, 표적으로 삼고 있는 유전자들이 병원체의 특정 부위에 관여하는 유전자들로 한정되어 있어 그 종류가 매우 제한적이며 최근에는 항생제 남용으로 인하여 어떤 항생제로도 치료할 수 없는 이른바 슈퍼박테리아 등의 출현으로 우리의 건강을 위협하고 있다. 본 연구를 병원성 미생물에 적용할 경우, 병원체의 생존에 필수적인 대사물질의 생산에 관여하는 다수의 새로운 유전자 표적을 찾을 수 있어 해당 병원체를 쉽게 죽일 수 있다. 이는 기존의 항생제 개발 전략을 뛰어 넘어 다양한 항생제 개발을 가능케 하는 길을 열었다는데 큰 의의가 있다고 할 수 있다.

이 연구 결과는 최근 그 중요성이 부각되고 있는 첨단 분야인 시스템 생물학 연구기법을 이용하여, 세계에서 처음으로 필수대사물질의 체계적인 발굴을 통해 생명활동의 항상성 문제를 탐구하고, 나아가 신약 개발의 가능성을 열었다는 점에서 높이 평가받고 있다. 또한, 이제까지의 생명활동의 강건성 해석 접근법이 각 대사반응과 유전자 중심으로 이루어졌던 것을 보는 시각 자체를 완전히 바꾼 획기적인 접근법이라는 점에서 주목 받고 있다. 현재 과학기술부 시스템생물학 연구개발사업의 지원으로 본 연구를 수행 중인 연구팀은 이러한 성과를 바탕으로 다양한 병원성 균주의 항생제 개발 후보를 발견하는 방법을 특허 출원하였다.

본 연구 결과는 최근 KAIST에 설치된 바이오융합연구소 (김선창 소장) 소속 생명화학공학과, 물리학과, 시스템 및 합성 생명공학연구센터 연구진이 생물학, 전산학, 네트워크분석, 화학공학적 분석을 통합적으로 연구한 결과로서, 바이오 융합연구의 좋은 모델로 평가 받고 있다.

 

**** 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 정하웅 교수는 ‘복잡계 네트워크’라는 새로운 연구 분야를 개척하며 지금까지 물리학, 생물학, 컴퓨터 관련 5편의 『네이처』(Nature), 2편의 PNAS, 5편의 Phys. Rev. Lett. 논문을 포함한 통산 누적 피인용회수 4000여 회가 넘는 70여 편의 논문을 발표해 주목을 받았다. 현재는 물리학, 사회학, 경제학, 인터넷, 생물정보학 등에서의 다양한 학제간 연구를 통해 21세기 과학의 연구 주제로 떠오르고 있는 복잡계(Complex Systems)의 이해를 위해 노력 중이며, 많은 학술 논문 발표뿐만 아니라 과학기술 앰배서더로서 네트워크 과학에 대한 대중강연을 활발하게 펼치며 물리학의 저변확대에도 힘을 쏟고 있다. (hjeong@kaist.ac.kr)

 

**** 힌국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 교수는 1986년 서울대학교 화학공학과를 졸업하고, 1991년 미국 노스웨스턴대학교 화학공학과에서 석박사를 마쳤다. KAIST에서 약 13년 동안 대사공학과 시스템생명공학에 관한 연구를 집중적으로 수행하여 그간 국내외 학술지논문 220편, proceedings논문 148편, 국내외 학술대회에서 838편의 논문을 발표하였고, 기조연설이나 초청 강연을 200여회 한 바 있으며, Metabolic Engineering (Marcel Dekker 사 발간) 등 다수의 저서가 있다. 그간 244건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였는데, 미국 엘머 게이든상과 특허청의 세종대왕상을 받는 등 그 기술의 우수성이 입증된 바 있다. 생분해성고분자, 광학적으로 순수한 정밀화학물질, DNA chip, Protein chip 등의 기술 개발에서 탁월한 연구 업적을 쌓았고, 최근에는 소위 omics와 정량적 시스템 분석기술을 통합하여 생명체 및 세포를 연구하는 시스템 생명공학분야 연구와 게놈정보 이용 생물공정기술 개발에 매진하고 있다.

이 교수는 그간 제 1회 젊은 과학자상(대통령, 1998), 미국화학회에서 엘머 게이든 (Elmer Gaden)상 (2000), 싸이테이션 클래식 어워드(미국 ISI, 2000), 대한민국 특허기술 대상(2001), 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인(2003), KAIST 연구대상(2004), 한국공학한림원 젊은 공학인상(2005) 등을 수상하였고, 2002년에는 세계경제포럼으로부터 아시아 차세대 리더로 선정되어 활동 중이며, 2006년에는 미국미생물학술원 (American Academy of Microbiology) 펠로우 (fellow), 그리고 우리나라에서는 처음으로 Science지를 발간하는 미국 AAAS (American Association for the Advancement of Science)의 펠로우로 임명되었으며(2007), 최근에는 KAIST 최고의 영예직인 특훈교수에 임명되었다(2007). 현재 Biotechnology and Bioengineering 등 10여개 국제학술지의 편집인, 부편집인, 편집위원으로 활동 중이다. (leesy@kaist.ac.kr)

 

<용어설명>

1) 가상세포: 세포내에서 일어나는 모든 효소 반응을 컴퓨터에서 재구성하여 실제 세포처럼 반응시켜 결과를 예측하는 시스템을 말한다.

2) 시스템 생물학: 생명현상과 관련된 다양한 종류의 정보를 대량으로 획득하여 이를 전산학적 기법으로 분석하고 융합하여 세포의 생리 상태를 다차원에서 규명하려는 최근의 학문 분야를 말한다.