생명화학공학과 이상엽 교수팀이 기존 가상세포보다 정확한 결과를 내는 ‘가상세포 방법론’을 개발했다. 가상세포란 세포 내에서 일어나는 효소 반응을 컴퓨터에서 재구성하고, 가상으로 반응시켜 실험 결과를 예측하는 시스템이다. 이번 연구 결과는 미국국립과학원회보(PNAS) 온라인 판에 게재되었다.

실제 세포의 아바타, 가상세포

이 교수팀은 세포가 가장 활성화 되는 조건을 찾아, 얻고자 하는 물질을 최대한 생산하도록 유전자를 조작하는 연구를 한다. 하지만, 유전자의 조합이 매우 많아 일일이 실험하기가 어렵다. 
예를 들어, 대장균에 1000개의 유전자가 존재한다고 하자. 이 대장균이 A 물질을 생산할 수 있는 최적 조건은 1000개의 유전자 중에서 3개를 조작하는 것이다. 이런 식으로 유전자 조작의 최적 조건을 찾기 위해서는 1억 6천만 개에 달하는 대장균 균주를 만들어 결과값을 측정해야 한다. 하지만, 이를 모두 실험하는 것은 현실적으로 불가능하다. 이때, 수천 개의 반응식으로 구성되어 있는 가상세포를 이용하면 앞서 말한 엄청난 수의 실험을 9주 만에 끝낼 수 있다.

기존의 가상세포에는 조절 기작, 신호 전달 기작 반영되지 않아

하지만, 가상세포에는 실제 세포에 존재하는 조절 기작, 신호 전달 기작 등의 정보가 반영되어 있지 않아 완벽한 해답을 주지 못한다. 즉, 가상세포를 이용한 실험 결과는 여러 조건을 포함하는 범위만을 알려준다. 따라서 이 교수팀은 방법론을 개발해 가상세포의 예측력을 획기적으로 증가시켰다.

그룹 반응 제한조건을 통해 진화하는 가상세포

이 교수팀은 가상세포를 실제 세포에 더욱 가깝게 만들기 위해 ‘그룹 반응 제한조건’이라는 방법론을 개발했다. 그룹 반응 제한조건은 실제 세포가 활동할 때 이 활동과 연관된 유전자와 반응식의 그룹을 선정해 만든 조건이다. 기존 가상세포에 포함되지 않은, 조절기작 등을 반영해 이를 적용한 가상세포가 실험 결과를 더 정확하게 예측하는 것을 밝혔다.
이번 방법론 개발을 통해 실험 시간, 비용을 큰 폭으로 줄일 수 있게 되었다. 이는 산업적으로 이용하는 미생물의 특성을 밝히고, 균주를 개량하는데 활용할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 병원균에 대한 가상세포를 연구함으로써 의학적으로 응용할 수 있을 것으로 평가된다.
이 교수 연구팀의 박종명 학우(생명화학공학과 박사과정)는 “가상세포의 예측력을 높이는 여러 방법론을 통합적으로 살펴볼 수 있는 접근법이 필요하다”라고 말했다.