생체시계의 60년 난제 수학으로 풀어낸 본인 등판! 온도와 생체시계의 비밀은?! 수학의 쓸모2 2부! (KAIST/IBS 김재경 교수)

간략한 요약

이 비디오에서는 생체 시계의 수수께끼, 특히 온도가 변해도 24시간 주기가 어떻게 유지되는지에 대한 해답을 제시합니다.

생체 시계는 음성 피드백 루프를 통해 작동하며, 온도가 변하면 화학 반응 속도가 변하여 주기가 짧아질 수 있습니다.
하지만 실제 생체 시계는 온도 변화에 크게 영향을 받지 않으며, 오히려 약간 길어지는 경향이 있습니다.
연구팀은 수학적 모델링과 생화학적 분석을 결합하여 인산화 스위치라는 메커니즘을 발견, 온도 보상 작용을 설명했습니다.

소개

수학적 모델링을 통해 생명 과학의 난제를 해결하는 과정을 소개합니다. 과거 안될과학 출연 당시 언급되었던 생체 시계 연구의 심화 버전을 다룹니다.

수리 모델링이란?

수리 모델링은 생명 과학적 현상을 수학적 수식으로 변환하여 컴퓨터가 이해하고 실험할 수 있도록 하는 과정입니다. 생명 과학자들이 발견한 사실을 수학자가 수식으로 번역하면 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가상 실험을 수행할 수 있습니다.

생체 시계와 케이던스 리듬

케이던스 리듬은 약 하루 주기로 몸에서 일어나는 다양한 현상을 의미하며, 대표적인 예가 수면입니다. 멜라토닌 호르몬은 밤 9시부터 분비되기 시작하여 수면을 유도하고, 아침 7시경 분비가 멈춰 잠에서 깨어나게 합니다. 우리 몸은 생체 시계를 통해 시간을 인지하고 24시간 주기로 생리 활동을 조절합니다. 생체 시계는 피리어드(period)라는 분자의 생성과 소멸을 반복하며 24시간 주기를 유지합니다.

생체 시계의 작동 원리

생체 시계는 음성 피드백 루프를 통해 24시간 주기를 유지합니다. 피리어드 유전자에 클락(Clock)과 비엠알(Bmal) 단백질이 결합하면 유전자가 활성화되어 피리어드 메신저 RNA가 생성되고, 이는 피리어드 단백질로 이어집니다. 피리어드 단백질은 핵으로 들어가 클락과 비엠알의 활동을 억제하여 피리어드 생성을 멈추게 합니다. 피리어드 단백질이 사라지면 클락과 비엠알은 다시 활동을 시작하여 피리어드 생성을 반복합니다.

온도 변화와 생체 시계

온도가 올라가면 화학 반응 속도가 빨라져 생체 시계 주기가 짧아질 것이라는 예측이 가능합니다. 실제로 세포 분열 주기는 온도가 올라갈수록 짧아집니다. 하지만 생체 시계는 변온 동물의 경우에도 온도 변화에 크게 영향을 받지 않고 24시간 주기를 유지합니다. 실험 결과, 생체 시계 주기는 온도가 올라가면 오히려 약간 길어지는 경향이 있습니다.

온도 보상 메커니즘의 미스터리

생체 시계 내에는 온도 변화에 따른 주기 변화를 보상하는 메커니즘이 존재합니다. 이 메커니즘은 1950년대에 처음 발견되었지만, 2015년까지도 그 원리가 밝혀지지 않은 미스터리였습니다.

의자 모양의 단백질 분해 곡선

연구팀은 생체 시계 단백질의 분해 속도를 측정하는 실험에서 특이한 의자 모양의 곡선을 발견했습니다. 일반적으로 단백질 분해는 지수 함수 형태로 나타나지만, 이 곡선은 처음에는 빠르게 감소하다가 평탄해지고 다시 빠르게 감소하는 형태를 보였습니다.

인산화 스위치 모델

연구팀은 단백질 분해 과정을 연구하던 중 인산화에 주목했습니다. 피리어드 단백질은 빠른 분해와 느린 분해, 두 가지 방식으로 분해될 수 있으며, 이는 인산화 스위치에 의해 결정됩니다. 피리어드 단백질에 특정 위치에 인산화가 되면 빠른 분해가 일어나고, 다른 위치에 인산화가 되면 느린 분해가 일어납니다.

가상 실험과 검증

연구팀은 인산화 스위치 모델을 기반으로 가상 실험을 수행한 결과, 실제 실험에서 얻은 의자 모양의 단백질 분해 곡선을 재현할 수 있었습니다. 이후 실험을 통해 인산화 스위치의 존재와 기능이 실제로 검증되었습니다.

인산화 스위치의 역할

연구팀은 왜 피리어드 단백질이 복잡하게 두 가지 방식으로 분해되는지에 대한 의문을 품었습니다. 온도 변화에 따른 인산화 속도 변화를 고려한 가상 실험을 통해, 인산화 스위치가 온도 보상 메커니즘에 관여한다는 사실을 밝혀냈습니다. 온도가 내려가면 느린 분해가 더 느려져 상대적으로 빠른 분해의 비율이 높아지고, 이는 전체 분해 속도를 빠르게 만들어 주기 변화를 상쇄합니다.