우리는 언어를 이용해 타인에게 생각을 전달하고 서로 의견을 조율한다. 세포도 마찬가지다. 세포는 특수한 생체 분자를 커뮤니케이션 수단으로 삼아 세포간 신호를 교환한다. 세포들이 쉴 새 없이 주고받는 신호들은 마치 오케스트라의 수많은 악기들처럼 각각의 신호들이 한데모여 생명 현상이라는 정교하고 복잡한 교향곡을 이루어낸다. 교향곡에서 악기 한 파트의 음색 변화가 전체 음악의 인상을 바꾸어 놓듯, 세포간 커뮤니케이션은 약간의 변화만으로도 생리작용에 큰 변화를 일으킬 수 있다. 이는 세포간 커뮤니케이션을 의도한 대로 조절할 수 있으면 생리 현상의 원인을 규명하거나 이상현상을 해결할 수 있다는 뜻이기도 하다. 그러나 과연 세포 각각의 커뮤니케이션을 원하는 대로 조절하는 것이 가능할까?

결론부터 말하면 가능할 수도 있다. IBS 나노의학 연구단(단장 천진우)은 나노기술과 유전자기술을 접목해 해답을 찾았다. 천진우 단장은 미국 샌프란시스코 캘리포니아대(UCSF)의 전영욱 교수(연세대 IBS 객원교수)와 국제 공동 연구팀을 꾸려 메카노-제네틱스(Mechanogenetics)라는 방법을 고안했다. 메카노-제네틱스는 자성나노입자를 사용해서 세포 표면의 커뮤니케이션 분자를 피코 뉴턴 수준의 미세한 기계적인 힘으로 자극하여 세포 신호 전달을 조절하는 기술로, 원하는 시간에 원하는 세포신호를 유도할 수 있다.

이번 연구로 생체에서 일어나는 복잡하게 얽힌 세포간의 커뮤니케이션 메커니즘을 풀어내는 기초 연구가 가능해질 것으로 전망된다. 특히 대표적인 세포 간 커뮤니케이션 분자인 노치(Notch)와 상피캐드히린(E-cadherin) 수용체를 비롯한 다양한 막단백질들이 세포 분화와 발달에 중요하다는 점을 고려했을 때, 추후 뇌신경세포 재생, 생체 면역증진, 암전이 억제와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

▲ 본 연구에 사용된 나노입자는 산화철 코어 요한 연구 주제다. 이 구조는 분자수준의 생체 물질에 기계적힘을 가하는 동시에 광학현미경으로 이미징이 가능한 물질이며, 향후 다양한 생물·의학분야에 이용될 수 있다.

▲ 천 단장의 연구팀은 메카노-제네틱스 기술을 이용하여 노치 수용체의 세포 표면에서의 작동원리를 밝혀내는 데 성공했다. 여기서 더 나아가 이 기술이 원하는 시간과 공간에서 세포 활성을 단일 세포 수준으로 조절할 수 있다는 점도 확인됐다. 연구진은 단일세포 수준에서 원하는 세포에서만 원하는 유전자를 발현시키는 것이 가능하다는 사실을 붉은 색 형광(mcherry) 단백질 유전자가 생성된 실험으로 확인할 수 있었다.

▲ 노치는 대표적인 커뮤니케이션 분자로 많은 종류의 세포 간 커뮤니케이션에 개입한다. 아래 그림에서처럼 노치는 세포막 밖 수용체와 내부 신호부가 있어 '노치 시그널링 네트워크'를 촉발하는 역할을 한다. 거의 모든 다세포 생물에게서 공통적으로 나타나므로 세포 간 통신에서 매우 중요한 연구 주제다.