암·당뇨 신약 개발 빨라진다…'가상세포'로 미토콘드리아 재현

미국 연구진이 세포 속 미토콘드리아의 움직임을 입체적으로 재현한 '가상세포'를 개발해 암·당뇨병 등 신약 개발을 앞당길 길을 열었다.

18일(현지시간) 애저라이프사이언스에 따르면 미국 캘리포니아대학교 샌디에이고(UCSD) 연구팀은 미토콘드리아의 형태 변화를 정량화하는 두 가지 접근법을 국제학술지 '셀'(Cell)에 발표했다.

미토콘드리아는 영양분을 에너지로 바꾸는 세포 내 소기관이다. 흔히 콩팥 모양의 독립된 구조로 묘사되지만 실제로는 세포 전체에 걸쳐 서로 연결된 네트워크를 이루며 빠르게 분열하고 융합한다.

연구팀은 먼저 25가지 화합물로 암세포를 처리해 얻은 4만 개의 4차원(4D) 영상으로 딥러닝 인공지능(AI) 모델 '마이토스페이스'(MitoSpace)를 훈련했다.

이 모델은 어떤 약물이 사용됐는지 알려주지 않아도 비슷한 반응을 보이는 세포끼리 묶어 정리했고, 미토콘드리아의 모양과 움직임만으로 세포의 에너지 상태를 예측했다.

4D 영상으로 훈련한 모델은 약물을 작용 기전별로 분류하는 정확도가 75%로, 기존 2D 이미지 기반의 56%보다 높았다.

요하네스 쇤베르크 UCSD 부교수는 "세포는 깊이가 있고 결코 움직임을 멈추지 않는 4차원적 대상"이라며 "가상세포는 그 사실을 담은 데이터로 구축돼야 한다"고 말했다.

또 다른 연구에서 연구팀은 실제 암세포의 '디지털 트윈'을 구축했다. 미토콘드리아와 이들이 이동하는 미세소관의 위치를 지도화하고, 운반을 담당하는 운동 단백질을 물리 기반 모델에 반영한 것이다.

연구팀은 미세소관을 부분적으로 분해하는 약물 '노코다졸'에 미토콘드리아가 어떻게 반응할지 예측하도록 모델을 시험했다. 디지털 트윈은 매개변수를 하나도 바꾸지 않고 실제 세포에서 나타난 운동 감소와 분열·융합 속도 변화를 재현했다.

쇤베르크 부교수는 "물리 기반 가상세포를 실제 3D 현미경 영상과 나란히 비교할 수 있게 된 것은 이전에는 불가능했던 일"이라고 말했다.

연구팀은 향후 마이토스페이스와 디지털 트윈을 하나의 작업 흐름으로 통합하고 다른 세포 소기관까지 모델에 포함해 완전한 가상 인간 세포를 구축할 계획이다.

쇤베르크 부교수는 "궁극적인 미래는 하나의 세포가 아니라 조직처럼 작동하는 여러 세포"라며 "전체 조직을 모델링하면 더 현실적인 인간 생물학을 시뮬레이션하고 임상 치료에 도움을 줄 수 있을 것"이라고 기대했다.