수학적 알고리즘으로 생체 반응의 숨겨진 코드를 풀다 

실시간 줄기세포 원격 제어 시스템 개발…수학적 모델링으로 구현

□ 수학적 모델링*을 활용해 세포의 행동을 조절하는 기술이 개발됐다.

* 수학적 모델링 : 복잡한 현상을 수학적인 방정식이나 시뮬레이션으로 표현하여 분석하거나 예측하는 방법.

□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 강희민 교수(고려대학교) 연구팀이 수학적 알고리즘이 적용된 외부 자기장을 활용하여 리간드* 연결성을 원격으로 조절하는 실시간 줄기세포** 원격 제어 시스템을 개발했다고 밝혔다.

* 리간드 : 세포외기질에 존재하는 피브로넥틴, 라미닌, 콜라겐 등의 단백질 내의 세포 부착을 매개하는 물질.

** 줄기세포 : 분화되지 않은 세포로서 주변 환경에 따라 특정 조직 세포로의 분화가 가능하여 세포 치료, 조직 재생, 인공 장기 형성 등 환자 맞춤형 치료를 위한 핵심 세포로 주목받고 있음

□ 세포외기질(이하 ECM)은 세포 행동을 조절하는 복잡한 네트워크 구조로 조직 재생과 세포 기능 유지에 핵심적인 역할을 한다.

○ ECM 네트워크의 연결성은 조직과 기관의 기능을 유지하게 할 뿐만 아니라, 병리학적 상태에서의 조직 복구와도 밀접한 관련이 있다.

○ 이러한 이유에서 ECM 네트워크의 동적 재구성과 연결성을 체계적으로 분석하고 조절하는 것은 조직 재생과 질병 치료에서 중요한 과제라고 할 수 있지만, 기존 연구로는 실제 ECM 네트워크의 동적인 특성을 모사하는 데 한계가 있었다.

□ 이에 연구팀은 세포 부착성 리간드가 결합된 금 나노입자를 사용하여 리간드 네트워크* 모델을 제작하고, 다양한 이방성**을 가진 자성 나노막대를 통해 리간드 네트워크의 연결성을 조절하는 원격 제어 시스템을 개발했다.

* 리간드 네트워크 : 균일한 간격으로 배열된 리간드 결합 골드 나노입자(리간드 꼭짓점)가 서로 연결되어 삼각형 형태로 배열된 구조를 뜻함.

** 이방성 : 물질이 방향에 따라 다른 물리적 성질을 가지는 특성. 이방성 자성 나노막대는 한 방향으로 길게 연장된 모양을 가지고 있는 나노입자를 의미함.

○ 자기장을 통해 자성 나노막대의 배치를 정렬 혹은 상승 상태로 변환하여 리간드 연결성을 가역적으로 조절하고, 이를 통해 줄기세포의 부착과 기계적 신호전달, 분화를 제어했다.

○ 그래프 이론 기반 수학적 모델링을 적용한 시스템으로 리간드 연결성을 정량화하고, 조직 재생을 위한 줄기세포 거동의 조절 메커니즘을 밝혀낼 수 있었다.

□ 강희민 교수는 이번 연구 결과에 대해 “줄기세포의 행동을 원격으로 제어하는 혁신적 시스템을 통해 맞춤형 재생 치료와 조직 재생 연구에 새로운 가능성을 제시했다는 데 의의가 있다”며 “자성 나노막대의 생체 내 안전성과 실시간 제어 특성을 활용해 다양한 세포의 정밀 제어 및 의료 기술에 적용될 수 있을 것으로 보인다”고 설명했다.

○ 또한, “본 연구에서 개발된 ECM의 동적 연결성을 모사한 줄기세포 제어 시스템은 향후 복잡한 3D 생체 환경에서의 장기적 안정성과 효과를 검증하는 추가 연구가 필요하다”고 덧붙였다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 12월 23일 게재되었다.