세포 '디지털 트윈' 시대…유전자 조절망 지도 그리는 D-SPIN

미국 연구진이 세포의 '디지털 트윈'을 구축해 약물이나 유전자 교란에 대한 반응을 정밀하게 예측하는 새로운 계산 프레임워크를 개발, 맞춤형 세포 치료제 개발의 새 장을 열었다.

캘리포니아공과대학(Caltech) 장자룽(Jiang Jialong) 박사 연구팀은 지난 12일 국제학술지 '셀'(Cell)에 'D-SPIN' 프레임워크 개발 연구 결과를 발표했다. 이 프레임워크는 방대한 실험 데이터로부터 정확하고 이해하기 쉬운 전체 유전자 조절 네트워크 '지도'를 자동으로 그려내고, 새로운 약물이나 유전자 교란에 대한 세포 반응을 예측할 수 있다.

세포 내 수만 개 유전자가 상호작용하며 형성하는 복잡한 '유전자 조절 네트워크'는 세포의 의사결정 핵심이다. 이 네트워크를 이해하는 것은 질병 치료법 설계의 열쇠지만, 기존 방식은 전체 그림을 보기 어렵거나 내부 논리를 알 수 없는 '블랙박스' 모델에 머무는 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 D-SPIN은 수백만 개 세포와 수천 종의 교란을 포함하는 단일세포 시퀀싱 데이터를 직접 분석하는 강력한 확률적 그래프 모델이다. 기존 모델보다 정확할 뿐만 아니라, 어떤 유전자 상호작용이 교란에 의해 변화를 일으켰는지 명확히 보여주는 '화이트박스' 모델로, 기전 해석이 가능하다.

연구팀은 D-SPIN의 성능을 두 가지 시나리오에서 입증했다. 먼저 만성 골수성 백혈병 세포(K562)의 전체 유전체 교란 데이터를 이용해, 세포가 적혈구계와 골수계로 분화하는 운명 결정의 핵심 조절 인자를 밝혔다.

또한 인간 면역세포 약물 반응 실험에서 D-SPIN은 약물 작용 기전을 구별했을 뿐 아니라, 검증되지 않은 약물 용량 조합이 세포를 어떤 상태로 이끌지 정확히 예측했다. 특정 약물 조합이 독특한 항염증성 대식세포 상태를 시너지 효과로 유도할 수 있음을 발견한 것이 대표적이다.

이번 연구는 계산생물학이 '예측 생물학'으로 나아가는 중요한 진일보다. D-SPIN은 컴퓨터에서 유전자 치료나 병용 약물 요법의 효과를 미리 시뮬레이션하고, 세포 상태를 재프로그래밍하는 '치료 프로그램'을 설계할 수 있게 한다. 이를 통해 암, 자가면역질환 등 복잡한 질병의 정밀 치료를 위한 새로운 디지털 연구개발 경로를 열었다는 평가다.