생물학의 혁명적 발견: 단일 세포는 학습할 수 있다.

 

연구자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 세포가 반복적인 자극에 어떻게 적응하는지 보여주었고, 질병 치료와 추가적인 계산 생물학 연구에 혁명을 일으킬 수 있는 통찰력을 제공했다.

 

세포 행동과 학습 재고

개별 세포는 학습 능력을 가지고 있을 수 있는데, 이는 이전에는 뇌와 복잡한 신경계를 가진 동물에게만 있는 특성이라고 생각했다. 이 획기적인 발견은 바르셀로나의 유전자 조절 센터(CRG)와 보스턴의 하버드 의대의 연구자들이 수행한 연구에서 나왔다.

 

11월 19일 Current Biology 저널에 발표된 이 연구 결과는 생명의 근본적인 본질에 대한 오랜 가정에 도전하며 세포 행동에 대한 우리의 이해를 바꿀 수 있다.

하버드 의대의 시스템 생물학 부교수이자 이 연구의 공동 저자인 제레미 구나와르데나는 "세포는 미리 프로그래밍된 유전적 지시를 따르기보다는 환경에서 학습한 매우 기본적인 형태의 의사 결정을 갖춘 개체로 격상된다."라고 설명한다.

단세포 섬모충류 스텐토르 로셀리의 현미경 이미지. 출처: Joseph Dexter

 

세포적 습관화 조사

이 연구는 생물체가 반복적인 자극에 점차 반응하지 않는 과정인 습관화를 살펴보았다. 인간이 시계의 똑딱거림을 알아차리지 못하거나 깜빡이는 불빛에 덜 주의가 산만해지는 이유이다. 이 가장 낮은 수준의 학습은 복잡한 신경계를 가진 동물에서 광범위하게 연구되었다.

 

습관화와 같은 학습과 유사한 행동이 세포 수준에서 존재하는지는 논란의 여지가 있는 질문이다. 단세포 섬모충류인 스텐토르 로셀리(Stentor roeselii)를 대상으로 한 20세기 초 실험은 학습과 유사한 행동에 대한 빛을 처음으로 비추었지만, 당시 연구는 간과되고 기각되었다. 1970년대와 1980년대에 다른 섬모충류에서 습관화의 징후가 발견되었고, 현대 실험은 이 이론에 더 많은 무게를 더했다.

 

"이 생물들은 뇌가 있는 동물과는 너무 다르다. 학습한다는 것은 그들이 어떻게든 뇌의 뉴런 네트워크가 수행하는 것과 유사한 기능을 수행하는 내부 분자 네트워크를 사용한다는 것을 의미한다. 아무도 그들이 어떻게 이런 일을 할 수 있는지 모르기 때문에 우리는 이것이 탐구할 필요가 있는 질문이라고 생각했다."라고 바르셀로나에 있는 유전자 조절 센터(CRG)의 연구자이자 공동 연구자인 로사 마르티네즈가 말했다.

 

세포 정보 처리 이해

세포는 생화학 반응에 의존하여 정보를 처리한다. 예를 들어, 단백질 표면에 인산 태그를 추가하거나 제거하면 켜지거나 꺼진다. 연구자들은 실험실 접시에 있는 세포와 함께 작업하는 대신, 세포가 정보를 처리하는 방식을 추적하기 위해 수학 방정식을 기반으로 한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 반응을 모니터링하고 세포의 '언어'를 디코딩했다. 이를 통해 동일한 자극에 반복적으로 노출되었을 때 세포 내부의 분자적 상호 작용이 어떻게 변하는지 확인할 수 있었다.

 

구체적으로, 이 연구는 두 가지 일반적인 분자 회로, 즉 음성 피드백 루프와 비일관적 피드포워드 루프를 살펴보았다. 음성 피드백에서 프로세스의 출력은 방이 특정 온도에 도달하면 온도 조절 장치가 히터를 끄는 것처럼 자체 생산을 억제한다. 비일관적 피드포워드 루프에서 신호는 타이머가 있는 동작 감지 조명처럼 프로세스와 억제제를 동시에 활성화한다. 움직임을 감지한 후 조명은 일정 시간 후에 자동으로 꺼진다.

 

세포 기억과 습관화에 대한 통찰력

시뮬레이션은 세포가 이러한 분자 회로 중 적어도 두 개를 조합하여 자극에 대한 반응을 미세 조정하고 보다 복잡한 생명체에서 볼 수 있는 습관화의 모든 특징을 재현한다는 것을 시사한다. 주요 발견 중 하나는 분자 회로의 행동에서 "시간 척도 분리"가 필요하다는 것이다. 여기서 일부 반응은 다른 반응보다 훨씬 빠르게 발생한다.

 

"우리는 이것이 세포 수준에서 일종의 '기억'일 수 있다고 생각하며, 세포가 즉시 반응하고 미래의 반응에 영향을 미칠 수 있도록 한다."라고 마르티네즈 박사는 설명한다.

 

인지 과학과 신경 과학의 연결

이 발견은 또한 신경 과학자와 인지 연구자 간의 오랜 논쟁을 밝혀낼 수 있다. 수년 동안 이 두 그룹은 습관화 강도가 자극의 빈도 또는 강도와 어떻게 관련이 있는지에 대해 서로 다른 견해를 가지고 있었다. 신경 과학자들은 관찰 가능한 행동에 초점을 맞추고 유기체가 더 빈번하거나 덜 강렬한 자극으로 더 강한 습관화를 보인다고 지적한다.

 

그러나 인지 과학자들은 습관화가 일어난 후 내부 변화와 기억 형성의 존재 여부를 테스트하는 것을 주장한다. 그들의 방법론을 따르면 덜 빈번하거나 더 강렬한 자극에 대해 습관화가 더 강한 것으로 보인다.

 

이 연구는 모델의 행동이 두 관점과 일치한다는 것을 보여준다. 습관화 중에는 더 빈번하거나 덜 강렬한 자극으로 반응이 더 감소하지만 습관화 후에는 이러한 경우 공통 자극에 대한 반응도 더 강하다.

구나와르데나는 "신경 과학자와 인지 과학자는 기본적으로 같은 동전의 양면인 과정을 연구해 왔다."라고 말한다. "우리는 단일 세포가 학습의 기본을 연구하는 강력한 도구로 등장할 수 있다고 믿는다."

 

생물학적 연구 및 응용에 대한 의미

이 연구는 학습과 기억이 삶의 가장 기본적인 수준에서 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 이해를 심화한다. 단일 세포가 "기억"할 수 있다면 암세포가 화학 요법에 대한 내성을 키우는 방법이나 박테리아가 항생제에 내성을 갖는 방법(세포가 환경으로부터 "학습"하는 것처럼 보이는 상황)을 설명하는 데 도움이 될 수도 있다.

 

그러나 예측은 실제 생물학적 데이터로 확인해야 한다. 이 연구는 수학적 모델링을 사용하여 세포에서 학습 개념을 탐구했다. 왜냐하면 이를 통해 세포가 여러 가지 시나리오를 빠르게 테스트하여 실제 실험에서 더 자세히 조사할 가치가 있는 시나리오를 확인할 수 있었기 때문이다.

 

세포 생물학 연구의 미래 방향

이 연구는 실험 과학자들이 이제 실험실 실험을 설계하고 이러한 예측을 테스트할 수 있는 기반을 마련할 수 있다.

 

"계산 생물학의 달착륙은 생명을 컴퓨터처럼 프로그래밍 가능하게 만드는 것이지만, 실험실 실험은 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸릴 수 있다."라고 CRG와 EMBL 바르셀로나의 공동 이니셔티브인 바르셀로나 콜라보라토리움에 근무하는 마르티네즈 박사는 말한다. 바르셀로나 콜라보라토리움은 생물학의 큰 의문을 해결하기 위해 수학적 모델링에 기반한 연구를 발전시키기 위해 특별히 고안되었다.

 

"우리의 접근 방식은 어떤 실험이 가장 가치 있는 결과를 낼 가능성이 높은지 우선순위를 정하는 데 도움이 되어 시간과 리소스를 절약하고 새로운 돌파구를 마련할 수 있다."라고 그녀는 덧붙인다. "우리는 이것이 다른 많은 근본적인 의문을 해결하는 데 유용할 수 있다고 생각한다."