□ 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 연구진이 세포 내 물질 이동에 대한 연구에서 동물들의 먹이탐색 과정에서 보이는 ‘레비 워크(Levy walk)’라는 이동 패턴이 존재한다는 사실을 밝혔다.

ㅇ 레비 워크는 프랑스의 수학자 폴 레비(Paul Levy)의 이름에서 유래된 용어이다. 상어, 꿀벌, 해파리, 인간에 이르기까지 동물들이 한 지역에서 불규칙하고 빈번하게 방향을 전환하며 움직이다가, 때때로 먼 거리를 이동해 먹이를 찾는 등 무작위적이고 불규칙적인 행동 패턴이나 현상을 말한다.

ㅇ 지금까지 밝혀진 레비 워크 패턴은 동물의 지능이 전제되어 있었던 데 반해, 이번 연구에서는 지능이 없는 분자 단위의 물질 이동과정에서 마치 지능이 있는 것처럼 효율적으로 목적지를 탐색하고 전달하는 패턴이 발견되었다는 점에서 의미가 있다.

□ 연구진은 세포 내 물질이 정교하게 최종 목적지까지 운반되는 원리에 관심을 가졌다.

ㅇ 세포 내 물질은 분자 모터(molecular motors)에 의해 운반되는데, 분자 모터는 세포 기능 유지에 필요한 다양한 동작(세포분열, 세포 내 수송, 세포운동 등)을 조절하는 단백질을 총칭한다. 분자 모터는 세포 내부에 도로망처럼 뻗어있는 미세소관(microtubules)을 따라 이온, 당, 아미노산 등의 물질을 특정 장소로 운반한다. 미세소관은 속이 빈 원통모양을 한 단백질 섬유의 일종으로 세포 골격을 일정하게 유지시키고 세포 이동에 관여한다.

ㅇ 분자 모터들의 움직임을 관찰한 결과 물질 전달을 위해 여기 저기 목적지를 찾아 무작위로 주위를 자세히 살펴보다가 때때로 먼 거리를 이동하는 패턴이 있음을 확인했다.

ㅇ 이와 같은 레비 워크 패턴은 이동 방향에 대한 경향성 때문인 것으로 밝혀졌다. 가까운 곳을 이동하고 탐색할 때는 자주 방향을 바꾸는 반면, 먼 거리에 도달해야할 목표가 있을 때 그 방향을 향해 이동을 지속하고자 하는 경향성이 있다는 것이다.

□ 이번 연구의 핵심은 배달부 역할을 하는 분자 모터가 화물을 전달할 때, 특별한 기억이나 지능이 없음에도 정해진 목적지를 효과적으로 찾고, 배송을 마무리 하는 패턴을 발견한 데 있다.

ㅇ 특히, 레비 워크의 패턴을 인공적으로도 재현할 수 있다는 점에서 효율적인 경로를 탐색하고 목표에 접근하는 새로운 메커니즘으로서 다양한 응용을 기대하게 한다.

ㅇ 비록 이견이 있기는 하지만, 레비 워크는 어떤 목표물을 임의로 탐색하거나 수송하는 데 있어서 효율적이며 기능적인 이점이 있다고 지속적으로 보고되고 있다.

□ 스티브 그래닉(Steve Granick) IBS 첨단연성물질연구단(UNIST 캠퍼스) 단장은 “이번 연구는 세포 물질의 이동과 인간 몸의 작동에 대한 근본적인 이해를 제공하는 동시에 레비 워크의 새로운 적용 가능성을 제시했다.”며 “실용화를 위해 더 많은 연구가 필요하지만 새로운 인공ž능동물질을 개발하거나 효율적인 물질 전달시스템 개발 등에 적용할 가능성을 지니고 있다.”고 밝혔다.

□ 이번 연구 성과는 미국에너지국(DOE)의 지원을 받아 IBS 연구단과 미국 일리노이대학교 연구진이 공동 연구 및 협력을 통해 이뤄낸 성과로, 세계적인 학술지 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF 36.4)誌에 3월 30일 게재되었다.

Memoryless self-reinforcing directionality in endosomal active transport within living cells

Kejia Chen, BoWang and Steve Granick
(Nature Materials, doi:10.1038/nmat4239, 2015.3.30 )

브라운 운동에 의한 수송과는 반대로 미생물, 세포, 동물 및 인간의 능동적인 운동성은 절단된 레비 워크(truncated Lévy walk)로 알려진 랜덤 프로세스를 따른다.

이러한 확률적 움직임은 전체 시스템 규모까지 확장되는 조밀한 짧은 이동(clustered small steps)과 간헐적인 긴 점프이동(intermittent longer jumps)의 특징을 나타낸다. 이견이 있긴 하지만 레비 워크가 브라운 운동보다 임의 탐색(random searching) 및 수송 역학(transport kinetics)에 있어 보다 기능적인 이점이 있다고 지속적으로 제안되고 있듯이 레비 워크는 활성 물질 공학에 유용하게 활용될 수 있다.

본 연구에서는 세포 내 수송의 전형적인 능동적 물질(active matter) 시스템 실험을 통하여 브라운 운동과 같은 움직임이 시간 독립적인 양성 피드백(positive feedback)을 통해 절단된 레비 워크(truncated Lévy walk)로 자기 조직화하는 것을 관찰하고 지속적으로 이동한 거리만큼 방향의 지속성 또한 증가하는 것을 발견하였다.

이러한 실험결과는 분자의 요동을 줄여 자력 추진력을 최대한으로 이끌어내는 분자모형을 통해서도 관찰할 수 있었다.

본 연구결과는 활성 물질 내 효율적인 수송시스템을 프로그래밍하는데 디자인 원리를 제시한다.

a. 화물이 분자 모터에 이끌려 나노미터(10억분의 1미터) 간격으로 이동하며 미세소관을 따라 운반되어짐. 모터는 정지, 분리 및 리바인드 가능

b. 미세소관은 네트워크 형성을 위해 여러 방향으로 확장하고 교차하여 수송 방향에 복잡성을 더해 가는데 특히 여러 모터가 하나의 팀으로 동시에 돌아갈 때 두드러짐

c. runs(달리기), turns(회전), flights(비행)을 보이는 대표적인 이동경로. 회색점은 추적한 이동경로를 나타냄. 소파동분석으로 감지한 활발한 이동을 보인 부분은 원으로 표시됨. 각각의 색깔 있는 선은 그림 맨 왼쪽 위에 삽입된 스케일과 같이 경과된 시간을 나타냄