대표 생물수학자 김재경 교수, 수학모델링 예측 후 실험으로 증명
비만으로 세포내 방해물질로 많아지면 생체시계 교란돼 불면증 유발

김 교수, 글로벌 제약사 ‘화이자’ 개발 신약 효과 수학적 예측에도 참여

국내 대표적인 생물수학자가 세포질 혼잡을 일으키는 비만, 치매, 노화가 불안정한 수면상태를 유발한다는 것을 수학적으로 규명하고 해결책을 제시해 주목받고 있다.

카이스트 수리과학과 김재경 교수팀은 수학적 모델로 세포내 분자 이동을 방해하는 세포질 혼잡 현상이 일주기 생체리듬을 불안정하게 만들어 불면증을 유발시킨다는 것을 예측해냈다고 9일 밝혔다. 김 교수팀의 예측은 미국 플로리다주립대 이주곤 교수팀의 실험을 통해 검증됐다. 이번 연구결과는 미국국립과학원에서 발행하는 국제학술지 ‘PNAS’에 실렸다.

사람을 비롯한 많은 동물들은 뇌 속 생체 시계를 갖고 있다. 사람의 생체시계는 24시간 주기에 맞춰 살 수 있도록 행동과 생리작용을 조절하는 역할을 한다. 실제로 사람의 생체시계는 밤 9시가 되면 멜라토닌 분비를 촉진시켜 수면을 취할 수 있도록 하고 학습능력에도 영향을 미친다.

2017년에는 생체시계와 관련한 연구를 수행한 과학자 3명이 노벨생리의학상을 받았다. 이들에 따르면 ‘PER 단백질’이 일정 시간에 세포핵 안으로 들어가고 나오는 것이 생체 시계의 핵심이다. 그렇지만 다양한 물질이 존재하는 복잡한 세포 환경에서 수 천 개에 이르는 PER단백질이 일정한 시간에 핵 안으로 들어가는 것은 생체시계 연구의 오랜 수수께끼로 남아있다.

연구팀은 이 같은 난제를 풀어내기 위해 세포 내 분자의 움직임을 묘사하는 ‘시공간적 확률론적 모형’을 자체 개발해 분석한 결과 PER 단백질이 세포핵 주변에 충분히 응축되고 인산화되면서 핵 안으로 들어간다는 사실을 예측했다. 연구팀은 노화나 비만, 치매가 발생할 경우 PER 단백질이 핵 안으로 들어가 응축되는 것을 방해하는 지방액포 같은 물질들이 세포 내에 많아지기 때문에 세포질이 혼잡해지면서 인산화 스위치가 작동하지 않아 일주기 리듬이 불안정해지고 불면증 같은 증상이 나타난다고 설명했다.

김재경 교수는 “이번 연구는 비만과 치매, 노화가 세포질 혼잡을 일으킴으로써 불면증 같은 불안정한 수면을 유발시키는 핵심 원인이라는 것을 수학과 생명과학의 융합연구로 규명했다는데 의미가 크다”라며 “세포질 혼잡을 해소시킨다면 수면질환을 효과적으로 치료할 수 있을 것”이라고 설명했다.

김 교수는 비선형 역학이론, 확률론 등 수학 이론을 이용해 신체 내 생화학적 반응과 생체주기 조절 메커니즘 같은 생물학 분야의 문제들을 연구하는 대표적인 생물수학자다. 2016년에 세계적인 다국적 제약사 화이자가 개발 중인 생체리듬 조절과 관련된 신약 효과를 수학적으로 예측하는 연구를 맡으면서 이미 화제가 된 바 있다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr