식물의 생체시계는 배아 성장, 광합성, 개화 등의 식물 생장 전반을 유기적으로 연계하는 중요한 생명현상이다.

식물의 생체시계는 하루를 주기로 하여 나타나는 여러 생명현상을 관장한다. 특히 자이겐티아(GI)라는 단백질이 식물 생체 시계의 활성을 조절하는 데에 중요하며, 이 외에도 배아 성장, 개화 촉진 등의 식물 발달에 다양한 역할을 하고 있음이 여러 연구자들에 의해 보고되었다.

식물 생체시계의 분자 네트워크는 생체시계를 조절하는 중심 조절 유전자들의 전사(transcription), 번역(translation) 기작을 바탕으로 여러 음의 피드백 루프 (negative feedback loops)가 연결되어, 24시간의 주기를 만들어 낸다. 그러나 이 분자 네트워크는 단백질의 세포 내 분포 정보는 고려되지 않은 채 연구되어 왔다.

공간적 GI 발현에 따른 유전체 발현 조절. 왼쪽이 아침, 오른쪽이 저녁 때의 데이터다. 1번과 2번 그룹은 각각 핵 GI와 세포질 GI로 조절되는 유전자고, 3번 그룹은 핵 GI 또는 세포질 GI로 조절되는 유전자, 4번 그룹은 핵GI와 세포질 GI가 동시에 작용하여 조절되는 유전자들이다.
© 남창희/Physical Review Letters

식물 생체시계의 활성조절역할을 하는 단백질인 자이겐티아(GI)가 세포핵과 세포질 2곳에 각각 존재하며 서로 반대되는 조절 신호를 보냄으로써, 생체 회로의 안정성을 유도하는 특별한 정보처리 기전을 확인했다.

계산학적인 생체 정보 처리 모델링을 통해 세포내 신호조절 회로를 규명함으로써 자이겐티아(GI) 단백질과 중심 조절자인 라이(LHY)가 만들 수 있는 모든 종류의 분자 네트워크 모델을 만들고 이를 실험적으로 증명했다. 이를 통해 핵에 있는 자이겐티아(GI)는 라이(LHY)를 활성화 시키고, 세포질에 있는 자이겐티아(GI)는 라이(LHY)의 활성을 억제하는 것을 확인했다.

또한, 핵과 세포질 자이겐티아(GI)가 구성하는 조절 회로는 외부 환경으로부터 오는 신호에 불안정성(불안정한 노이즈)이 있더라도, 식물 세포가 이 노이즈에 큰 영향을 받지 않고 안정적으로 반응하게 하는 강건성(robustness)이 있음을 확인했다.

분자 네트워크가 단백질들의 세포 내 분포를 이용하여 구성될 수 있고, 이를 통해 생체로 들어오는 신호를 효과적으로 처리할 수 있는 능력이 발생함을 식물 생체 시계의 사례를 통해 보였다.

분자 네트워크 연구에 있어 단백질들의 세포 내 분포를 고려하는 것이 중요함을 보였고, 효과적인 생체 정보 처리 메커니즘에 대한 이해를 높였다. 이를 통해 분자 네트워크 연구의 새로운 패러다임을 제시하였다.

• “이번 연구 결과는 세포내 분자 네트워크의 형성과 정보 처리 및 이에 의한 생명 현상 조절을 이해하는 새로운 패러다임을 제공하여, 기존에 이해하기 힘들었던 여러 생명과학을 새롭게 해석하게 하는 전환점이 된다는 점에서 의미가 있다”

남홍길 단장