영생: 죽음은 끝이 아니다. 새로운 수학 모델은 세포가 부활할 수 있음을 시사한다.

연구자들은 세포가 살아있거나 죽었다고 간주되는지 여부를 결정하는 기준을 재정의하고 있다.

세포 사멸은 생물학에서 기본적인 개념이다. 중요성에도 불구하고 정의는 발생하는 맥락에 따라 다르며 일반적인 수학적 정의가 없다.

도쿄 대학의 연구자들은 잠재적으로 죽은 세포가 미리 정의된 "대표적인 생존 상태"로 돌아갈 수 있는지 여부에 따라 죽음에 대한 새로운 수학적 정의를 제안한다. 이는 우리가 자신 있게 "살아있다"고 부를 수 있는 존재 상태이다. 연구자들의 연구는 생물학 연구자와 미래의 의학 연구에 유용할 수 있다.

우리가 생각하고 싶어하지 않는 것이지만, 죽음은 결국 우리 모두에게 찾아온다. 동물이든 식물이든 심지어 세포이든 말이다. 그리고 우리 모두가 살아 있는 것과 죽은 것을 구별할 수 있지만, 세포 수준에서의 죽음은 널리 알려진 수학적 정의가 없다는 것은 놀라운 일일 수 있다.

연구자들의 아이디어 개요. 출처: Ivana Duic Urushabata의 2024년 일러스트레이션. CC-BY-ND

세포 사멸이 다양한 생물학적 과정에서 매우 중요한 역할을 하며 건강에 중요한 영향을 미칠 수 있다는 점을 감안할 때, 특히 연구에서 세포 사멸이 실제로 무엇을 의미하는지 이해하는 것이 매우 중요하다.

생명-사멸 경계에 대한 수학적 접근 방식

“나의 장기적인 과학적 목표는 생명과 비생명 간의 본질적인 차이를 수학적으로 이해하는 것이다. 비생명에서 생명으로의 전환이 왜 그렇게 어려운지, 반면 그 반대는 왜 그렇게 쉬운지 말이다.”라고 유니버설 생물학 연구소의 조교수인 유스케 히메오카가 말했다. “이 프로젝트에서 우리의 목표는 생명-사멸 경계를 정량화하기 위한 수학적 정의와 계산적 방법을 개발하는 것이었다. 우리는 생물학적 반응 시스템, 특히 세포 내 효소 반응의 중요한 특징을 활용하여 이를 수행할 수 있었다.”

살아있는 것과 죽은 것 사이에는 얇은 선이 있으며, 세포의 경우, 중단된 화학적 과정이 활성 상태로 돌아갈 수 있는지 여부에 달려 있다. 출처: 2024 Ivana Duic Urushibata의 일러스트레이션. CC-BY-ND

히메오카와 그의 팀은 세포 사멸에 대한 수학적 정의를 제안했다. 이는 대사를 포함한 세포 상태가 효소 활동을 조절하여 제어될 수 있는 방식에 기반한다. 그들은 사멸 상태를 생화학적 과정의 조절과 관계없이 세포가 겉보기에 "살아 있는" 상태로 돌아갈 수 없는 상태로 정의한다. 이를 통해 그들은 "화학양론적 선"이라고 부르는 생사 경계를 정량화하기 위한 계산적 방법을 개발했다.

이 방법은 효소 반응과 시스템이 자연스럽게 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 이동한다는 열역학 제2법칙에 초점을 맞춰 개발되었다. 연구자들은 이러한 방법을 사용하여 통제된 실험실 실험에서 세포 사멸을 더 잘 이해하고, 제어하고, 심지어 역전시킬 수도 있다.

"이 계산 방법은 자율 시스템에는 적용할 수 없지만, 단백질과 같이 제어를 위한 기계를 만드는 시스템에는 적용할 수 있다. 자율성은 생명체의 특징 중 하나이다. 나는 우리의 방법을 확장하여 이런 시스템에도 적용할 수 있도록 하고 싶다."라고 히메오카가 말했다. "우리는 순진하게 죽음이 되돌릴 수 없다고 믿지만, 그렇게 사소한 일이 아니며 반드시 그럴 필요도 없다. 나는 죽음이 우리의 통제 하에 더 많이 놓이게 된다면, 인간, 삶에 대한 우리의 이해, 사회가 완전히 바뀔 것이라고 믿는다. 이런 의미에서 죽음을 이해하는 것은 과학과 사회적 의미 측면에서 매우 중요하다."