KAIST, 유전자 안 바꾸고 세포 운명 조절…'NUDGE' 개발

KAIST 연구진이 유전자를 영구적으로 바꾸지 않고 일시적 자극만으로 세포의 운명을 원하는 방향으로 바꾸는 기술을 개발했다.

23일(현지시간) 애저라이프사이언스에 따르면 KAIST는 조광현 바이오및뇌공학과 교수 연구팀이 세포 내 유전자 조절 역학을 활용해 최소한의 일시적 개입으로 세포 운명을 유도하는 기반 기술 'NUDGE'를 개발했다고 발표했다.

세포 운명을 바꾸는 기술은 줄기세포를 특정 기능을 가진 세포로 분화시키거나 질병·노화로 손상된 세포를 정상에 가깝게 되돌릴 수 있어 난치병 치료와 재생의학의 핵심 도구로 주목받아 왔다.

기존 방식은 특정 유전자를 켜거나 끈 상태로 고정하는 영구적 개입에 의존했다. 이는 원하는 세포 상태를 만들 수 있지만 환경 변화에 적응하는 가소성을 떨어뜨리고 자연에 존재하지 않는 비정상적 상태를 유발할 수 있다는 한계가 있었다.

연구팀은 세포를 고정된 상태로 강제하는 대신 한 번의 일시적 자극으로 세포 스스로 목표 상태에 도달하도록 하는 전략을 고안했다. 막힌 수로를 잠시 뚫어 물이 스스로 길을 찾게 하는 방식과 유사하다.

NUDGE는 자연 역학 기반 유전자 조절 네트워크 제어 기술로, 세포 내 핵심 유전자들이 서로 영향을 주고받는 방식을 계산 논리 모델로 분석해 세포가 최종적으로 도달할 상태를 파악한다. 이후 유전자 상호작용을 기술하는 논리 함수를 수학적으로 분해해 현재 상태에서 목표 상태로 전환하는 데 필요한 최소 제어 조합을 찾아낸다.

연구팀은 63개의 공개된 생물학적 네트워크 모델에서 영구적 제어를 평가한 결과 단일 노드 고정만으로 목표 표현형을 달성한 사례 중 55개에서 가소성 감소나 비정상적 상태가 나타났다고 밝혔다. 또 NUDGE의 근사 기법은 69개 대규모 생물학적 네트워크의 552개 제어 문제 중 90% 이상에서 평균 개입 오류 0.01 미만을 기록했다.

NUDGE는 자극할 요소를 찾는 데 그치지 않고 자극받은 세포가 목표 상태에 도달하는 경로와 도달 후 상태의 안정성까지 분석해 전환 과정에서 예상치 못한 상태가 나타날지 예측할 수 있다.

연구팀은 실제 생물학적 현상에 대한 설명력을 검증하기 위해 심근세포 분화, 알레르기 반응에 관여하는 비만세포의 운명 결정, 면역세포인 대식세포의 항염증 상태 전환 등 세 가지 과정에 NUDGE를 적용했다.

심근세포 분화에서는 심장 발달과 재생에 중요한 MESP1 유전자가 분화 초기에만 일시적으로 활성화된다는 기존 패턴을 재현했다. 비만세포 형성에서는 GATA2와 GATA1이 세포 운명의 핵심 조절자임을 확인했고, 대식세포 모델에서는 IL-4를 활용한 최적의 일시적 개입 전략을 도출했다.

조광현 교수는 "NUDGE는 특정 세포를 건강한 상태로 되돌리는 데 국한된 기술이 아니라 현재 상태에서 원하는 상태로 최소한의 자극 한 번으로 유도하는 범용 세포 제어 기술"이라고 말했다.

그는 이 기술이 줄기세포 분화, 노화, 자가면역질환, 재생의학, 암세포를 정상에 가깝게 되돌리는 암 역전 치료 등에서 새로운 제어 전략을 설계하는 기반 도구가 될 것으로 기대했다.

이번 연구는 KAIST 바이오및뇌공학과의 페리오 브라마나 석사와 코빈 호퍼 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했고, 이우정 박사과정생이 공동저자로 이름을 올렸다. 연구 결과는 미국국립과학원회보(PNAS)에 지난 14일 온라인 게재됐다.