| 초록 |
□ 연구개요 생명체가 어떻게 생체 내에서 일어나는 개별 화학반응들의 근본적인 불확실성과 세포 환경의 불균일성을 극복하고 각종 생명기능의 발현과 유지에 필요한 질서를 구현해 내는 지는 아직도 신비로운 수수께끼이다. 생명체가 생명기능을 정상적으로 발현하고 유지하기 위해서는 생체 내에서 일어나는 화학 반응들의 생성 분자 개수와 반응 시간의 통계적 요동을 일정한 범위 내로 유지해야 하는데 만약 이에 실패할 경우 그 생명체는 질병에 걸리거나 생명기능이 정지하게 된다. 1단계 연구에서 개발된 “확률적 생체반응 속도론”을 다양한 생명현상에 적용하여 생명체가 생체기능 발현과 유지에 필요한 생체분자 농도와 반응시간 조절을 어떤 반응 과정들을 통해 구현하며얼마나 정확하게 구현할 수 있는 지, 더 나아가 각종 외부 자극들이 생체기능 조절을 어떻게 돕거나 방해하는 지를 정량적으로 연구한다. □ 연구 목표대비 연구결과 본 연구과제 1단계 연구에서 세포 내 불균일한 환경에서 일어나는 화학 반응의 생성분자 개수 요동이나 반응과정에 걸리는 시간의 요동을 정확하게 기술할 수 있는 새로운 수학적 방법론을 개발한 바 있다. 이 연구결과는 속도상수 개념에 기초한 기존 반응 속도론이나 파울리 마스터 방정식 접근법이 세포와 같이 복잡하고 불균일한 반응 환경에서 일어나는 화학 반응들을 정확하게 기술하지 못하는 문제를 해결한 것이다. 2단계 연구에서는 1단계 연구에서 얻어진 결과들을 적용 및 확장하여 복잡한 시스템에서의 수송과정을 정량적으로 기술할 수 있는 새로운 수송방정식과 모델 및 관측량을 제시하였으며 포유동물의 진핵세포로부터 생성된 단백질 개수의 요동으로 부터 반응 네트워크에 대한 정보를 추출하는 것이 가능하다는 것 역시 밝혀내었다. 본 연구단이 달성한 다른 주요 연구 성과는 모터 단백질들에 의한 세포 내 수송 과정의 변화를 실험적으로 관찰하고 얻어진 실험 결과를 정량적으로 설명하는 새로운 모델을 제시하여 상응하는 실험결과를 정량적으로 해석하는데 최초로 성공한 것이다. 이를 통해 신경세포의 병리학적 상태와 모터 단백질 수송 동력학 간의 상관관계를 밝혀내는데 기여할 수 있었다. 이외에도 활성산소의 대기압 하에서의 반감기에 대한 신뢰할 만한 구체적인 값은 오랜 난제로 이제까지 얻어진 바가 없었으나 실험과 해석적 이론의 성공적인 협업을 통해 반감기 및 확산거리에 대한 수치를 얻어낼 수 있었고 활성산소의 미생물 사멸력에 대한 실험결과와도 일치함을 보일 수 있었다. 이러한 점을 인정받아 출판된 저널의 표지에 실리기도 하였으며 이 연구 결과는 단일항산소를 다양한 가전 제품에 항균용도로 안전하게 사용하는데 필요한 것으로 현재 관련특허가 출원 중에 있다. 또한, 활성 물질 수송 양상은 기저 메커니즘에 따라 다양한 양태가 관찰될 수 있는데 본 2단계 연구를 통해 이를 모두 아우르는 일반적 모델의 제시하였다. 이 연구결과는 활성 물질 수송 분야에서 현재 가장 뛰어난 업적으로 관련 학술 분야 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다. 이와 더불어 다양한 열운동 모델에 대해 평균 최초 도달시간이 관찰시간에 어떻게 의존하는가를 밝힌 연구 역시 비평형 통계물리 분야에 오랜 난제를 해결한 것이다. □ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) 본 연구과제에서 개발 및 정립되는 “확률적 생체반응 속도론”은 복잡한 세포환경과 연동되어 있는 생체 내 화학반응 네트워크의 화학적 요동을 정량적으로 기술할수 있는 최초의 방법론으로 여기에서 개발되는 수학적 방법론은 단일분자 동력학과 분광학, 반응 속도론, 비평형 통계역학 등 물리화학 관련 타 학문 분야 발전에도 크게 기여할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 현대 시스템 생물학과 유전학, 화학 생물학, 생물리학 등 생명과학 관련 학문분야에도 생명체에 대해 행해진 실험 결과의 정량적 해석과 예측을 시도 하는 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다. 상당수의 질병은 궁극적으로는 생명체가 생명체에서 일어나는 생화학 반응 과정을 필요한 만큼 정확하게 조절하는 데 실패하여 일어난다. 그렇기 때문에 생명체가 잃어버린 생화학 반응 과정에 대한 조절 능력을 회복하도록 하여 질병치료가 가능하다. 본 과제 제안서에서 제안하는 연구를 통해 얻어질 생명체의 화학 반응 과정 조절 기작과 한계에 대한 지식과 이해는 세포의 생체반응 조절 능력을 회복시켜 질병을 치료하는 새로운 의학적 방법들을 개발하는데도 기여 할 수 있을 것이다. (출처 : 국문 요약문 2p) |
