바다 속에서 헤엄치는 해파리는 먹이를 찾아 이리저리 방향을 바꾸며 현란하게 움직인다. 언뜻 보기에 매우 불규칙해 보이는 움직임이지만 실제로는 먹이 탐색의 효과를 높여주는 지능적인 행동 패턴이다. 한 지역에서 정신없이 움직이던 해파리가 먼 지역으로 이동하면 같은 움직임 패턴을 반복하는데, 이를 통해 먹이를 더 잘 찾고 잡아먹으려는 전략이다.
이런 현상을 일러 ‘레비 워크(Levy Walk)’라고 하는데, 이는 프랑스 수학자 폴 레비의 이름에서 따온 수학적 패턴이다. 한 지역에서 불규칙하고 빈번하게 방향을 바꾸며 움직이다가, 먼 지역으로 이동해 같은 움직임을 반복하는 이동 패턴으로 정의된다. 해파리 외에도 꿀벌이나 상어, 수렵채집 생활을 하는 원시부족이 먹거리를 찾을 때 나타난다.
그런데 이런 지능적인 패턴이 동물뿐 아니라 세포 세계에도 존재한다는 사실이 UNIST 연구진을 통해 밝혀졌다. 스티브 그래닉(Steve Granick) UNIST 자연과학부 교수팀(IBS 첨단연성물질연구단)이 세포 내 물질이 최종 목적지까지 정교하게 운반되는 과정에서 레비 워크가 나타난다는 걸 발견한 것이다.
일반적으로 세포 안에서 물질 이동은 ‘분자 모터(molecular motors)’가 담당한다. 분자 모터는 일종의 단백질인데, 세포 분열이나 세포 내 수송 등 세포 유지에 필요한 다양한 동작을 조절한다. 이들이 배달부가 돼 세포 내부에 도로망처럼 뻗은 가느다란 관(microtubules)을 따라 이온과 당, 아미노산 같은 물질을 특정 장소로 운반하는 것이다.
살아있는 세포 내 엔도솜 이동경로. a. 화물이 분자 모터에 이끌려 나노미터(10억 분의 1미터) 간격으로 이동하며 미세소관을 따라 운반된다. b. 미세소관은 네트워크를 형성하려고 여러 방향으로 확장하고 교차해 수송 방향에 복잡성을 더한다. c. runs(달리기), turns(회전), flights(비행)을 보이는 대표적인 이동경로. 회색점은 추적한 이동경로를 나타낸다.
그래닉 교수팀은 세포 내 물질 운반 원리를 밝히기 위해 분자 모터의 움직임을 관찰했다. 그 결과 분자 모터가 여기저기 목적지를 찾아 무작위로 주위를 자세히 살피고, 때때로 먼 거리까지 이동하는 패턴이 있다는 사실을 확인했다. 해파리 등 동물에서 나타나는 레비 워크가 세포 속 물질 운반 과정에서도 드러난 것이다.
그래닉 교수는 “세포 속에서 레비 워크가 나타나는 이유는 이동 방향에 대한 경향성 때문”이라며 “가까운 곳을 이동하고 탐색할 때는 자주 방향을 바꾸지만 먼 거리에 목표가 있으면 그 방향을 향해 지속적으로 이동하려는 경향이 있다”고 설명했다.
이번 연구의 핵심은 기억 기능이나 지능이 없는 분자 모터가 물질을 전달할 때 정해진 목적지를 효과적으로 찾는 원리를 발견한 데 있다. 레비 워크의 패턴을 인공적으로도 재현할 수 있어 경로를 효율적으로 탐색해 목표에 접근하는 새 메커니즘으로써 응용가능성이 높을 전망이다.
그래닉 교수는 “이번 연구는 세포 내 물질 이동과 인간 몸의 작동에 대해 근본적으로 이해할 수 있도록 돕는 동시에 레비 워크의 새로운 가능성을 제시했다”며 “새로운 인공능동물질을 개발하거나 효율적인 물질 전달 시스템을 개발하는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 미국 에너지국(DOE)의 지원을 받아 IBS 연구단과 미국 일리노이대 연구진이 공동 연구 및 협력해 이뤄낸 성과다. 관련 논문은 세계적인 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF 36.4)’ 3월 30일자에 게재됐다.
