온도 변해도 유지되는 생체시계 원리 수학으로 풀었다

국내 연구진이 인체 내 생체시계 작동과정에 미분방정식을 이용한 수학 모델링을 적용해 온도가 변해도 생체시계 속도가 일정하게 유지되는 원리를 밝혀냈습니다.

한국과학기술원(KAIST) 수리과학과 김재경 교수는 5일 수학 모델링을 통해 온도 변화에도 생체시계가 일정하게 유지되는 원리를 밝혀냈으며 이를 듀크-싱가포르국립의대 데이비드 벌십 교수팀이 실험으로 검증했다고 밝혔습니다.

이 연구 성과는 생체시계의 성질이 1954년 처음 발견된 후 수수께끼로 남아 있던 생체시계 작동 원리를 60여 년 만에 밝혀낸 것으로 국제학술지 '분자 세포'(Molecular Cell, 10월 1일자)에 게재됐습니다.

뇌에 있는 생체시계는 오후 9시쯤 멜라토닌 분비가 시작되게 하고 오전 7시께 멈추게 합니다.

덕분에 사람들은 매일 비교적 일정한 시간에 잠을 자고 기상할 수 있습니다.

생체시계는 온도가 변해도 빨라지거나 느려지지 않고 일정한 속도가 유지되며 이는 환경에 따라 체온이 변하는 변온동물도 마찬가지입니다.

온도가 변해도 생체시계가 일정하게 유지되는 것은 온도가 높아지면 활발해지면서 빨라지고 온도가 낮아지면 느려지는 일반적인 생체현상들과는 다른 것으로 그 작동원리는 생체시계 분야의 가장 큰 수수께끼로 남아 있었습니다.

김 교수는 생체시계의 핵심단백질인 피리어드2(Per2)가 온도에 따라 분해되는 과정을 변하는 여러 변수로 구성된 미분방정식을 적용한 수학 모델링으로 분석해 생체시계가 온도 변화에도 일정하게 유지되는 원리를 밝혀냈습니다.

즉 12시간 동안 증가하고 12시간 동안 분해되는 리듬을 평생 반복하는 Per2 단백질이 온도 변화에 따라 두 가지 방법으로 분해되며, 이 두 가지 방법의 비율을 조절하는 인산화 스위치(Phosphorylation swicth)가 Per2에 있다는 것입니다.

생체시계에는 온도가 올라가면 Per2 단백질이 빠르게 분해되는 경로와 느리게 분해되는 경로가 있으며 이 두 가지 경로의 비율을 조절하는 인산화 스위치가 Per2에 존재하는 것으로 밝혀졌습니다.

즉 온도가 올라가면 인산화 스위치가 Per2가 느리게 분해되는 경로를 활성화해 전체적인 Per2 분해속도를 늦추고, 온도가 내려가면 Per2 단백질이 빠르게 분해되는 경로를 활성화해 Per2 분해속도를 높임으로써 생체시계 속도를 조절한다는 것입니다.

연구진은 인산화 스위치가 생체시계 속도를 조절할 수 있는 핵심 요소가 될 것이라며 인산화 스위치를 조절하는 약을 개발하면 잦은 외국출장으로 인한 시차, 주야 교대 근무 등에 의한 생체시계 고장을 예방하는 데 기여할 것이라고 밝혔습니다.

김 교수는 "이 성과를 통해 우리나라에선 아직은 부족한 생물학과 수학의 교류가 활발해지길 기대한다"며 "수학이 생물학 난제들을 해결하는 데 기여할 수 있음을 알리고 싶다"고 말했습니다. 

(SBS 뉴미디어부)