KAIST생명화학공학과 (BK21) 이상엽(李相燁, 43세, 특훈교수/LG화학 석좌교수) 교수팀과 바이오융합연구소 소속 물리학과 정하웅(鄭夏雄, 38세) 교수팀이 공동으로 가상세포를 이용, 생명체의 필수대사물질을 발굴하고 생명활동의 항상성에 핵심이 되는 강건성(robustness) 문제를 규명했다.

과기부 관계자에 따르면, 지구상에 존재하는 생명체들은 다양한 환경에서 체내, 체외의 생명활동을 끊임없이 변화시키지만, 어느 범위 내에서는 일정하게 유지시키고자 하는 경향이 있는데 이러한 현상을 생명활동의 항상성(恒常性)이라고 부른다.

이러한 항상성을 유지할 수 없게 되면 세포는 더 이상 성장하지 않고 사멸하게 된다. 이러한 항상성을 유지하고자 하는 세포의 활동 및 그 결과는 강건성(robustness)이라는 현상으로 나타나게 된다.

연구팀은 대장균 가상세포를 이용한 컴퓨터 모의실험을 실시하였는데 이 과정에서 생명체에 필수적인 다량의 대사물질들을 발굴하였으며, 이를 실제 실험을 통해 검증하였다.

이를 바탕으로 연구팀은 미생물의 신진대사 과정에 참여하는 모든 종류의 대사물질 각각이 생명체의 생존에 얼마만큼 필수적인지 나타내는 대사산물 필수성 (metabolite-essentiality)이라는 새로운 개념의 척도를 제안하였다.

연구팀은 각 대사물질이 체내에서 사용되는 빈도를 플럭스섬(flux-sum)이라는 양으로 정량화하였고, 체내의 여러 교란작용에도 불구하고 필수대사물질이 플럭스섬을 일정하게 유지하여 생명활동의 강건성을 보장한다는 사실을 밝혀내었다.

즉, 필수대사물질 생산에 관여하는 유전자들의 활동을 억제하면 생명체 전체의 강건성 유지에 위협이 생겨 성장억제, 사멸로 이어질 수 있게 된다는 것이다.

현재 의료분야에서 시판되고 있는 병원성 미생물에 대한 항생제들의 경우, 표적으로 삼고 있는 유전자들이 병원체의 특정 부위에 관여하는 유전자들로 한정되어 있어 그 종류가 매우 제한적이다.

게다가 최근에는 항생제 남용으로 인해 생겨난 내성 때문에 어떤 항생제로도 치료할 수 없는 ‘슈퍼박테리아’ 등이 출현하는 등 우리의 건강이 위협받고 있는 실정이다.

이런 점에서 본 연구는 병원체의 생존에 필수적인 대사물질의 생산에 관여하는 다수의 새로운 유전자 표적을 찾을 수 있어 해당 병원체를 쉽게 죽일 수 있는 길을 열어준 것으로 평가받는다. 그리고 기존의 항생제들과 구분되는 다양한 항생제 개발이 가능해지게 되었다는 점에서도 큰 의의가 있다고 할 수 있다.

이 연구 결과는 최근 부각되고 있는 첨단 분야인 시스템 생물학 연구기법을 이용하여, 세계 최초로 필수대사물질을 체계적으로 발굴하고 생명활동의 강건성 문제를 탐구하였다는 점에서 의미가 깊으며, 나아가 신약 개발의 가능성까지 도출 되었다는 점에서도 높은 평가를 받고 있다.

그리고 이제까지 생명활동의 강건성 문제를 보는 기존의 시각 즉, 각 대사반응과 유전자 중심으로 보는 시각 자체를 완전히 바꾼 획기적인 접근법이라는 점으로 인해 주목 받고 있다.

연구팀은 이러한 성과를 바탕으로 다양한 병원성 균주의 항생제 개발 후보를 발견하는 방법을 특허 출원하였다.

과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업의 지원을 통해 성공한 이번 연구의 수행 결과는 8월 셋째 주 미국 국립과학원회보 (PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA) 온라인판에 게재되었다.