리듬 있는 패턴과 정확한 움직임은 적절한 유영을 하기 위한 핵심요소다. 올림픽 수영선수들은 머리, 팔, 다리 운동이 잘 동기화된 반복적인 호흡 패턴을 선보이며 관중들의 환호 속에 기록을 갱신하곤 한다. 이 반복되는 패턴 및 힘의 사용과 상응한 운동 모습을 미세 유영자인 아메바 모양(amoeboid)의 세포들에서 찾아볼 수 있다.
아메바 운동(amoeboid movement)은 원형질의 유동에 따라 몸체 일부에 위족(僞足)을 만들어 움직이는 행동을 말한다. 일부 원생동물을 비롯해 단세포생물과 암세포 · 백혈구 · 배세포(胚細胞) 등에서 볼 수 있다. 아메바와 백혈구는 이 아메바 운동을 통해서 식세포 작용을 한다.
세포가 움직이고 유영하는 모습은 현재 향상된 삼차원 모델링 덕분에 한층 높은 수준의 정확도로 예측할 수 있다. 미국 럿거스대 기계 및 항공우주공학과 에릭 캠벨(Eric J. Campbell)과 프로센지트 배그치(Prosenjit Bagchi) 연구원은 위족을 이용해 유영하는 아메바의 모습을 삼차원 모델로 생성해 냈다.
슈퍼 컴퓨터로 위족 이용한 운동성 모델링
아메바 모양의 세포는 고정된 형태가 없는 특이하게 유연한 세포 골격을 가지고 있다. 이들은 세포기관을 둘러싸고 있는 세포질의 일관성을 동시에 바꾸면서 골격시스템을 수축 또는 팽창시킨다. 아메보이드 세포들은 또한 위족으로 구동되는 독특한 운동능력을 가지고 있다. ‘가짜 발’을 뜻하는 위족(pseudopods)은 세포가 이동할 수 있도록 늘어나고 갈라지고 움츠러드는 세포 몸체의 일종의 돌기다.
위족 운동은 겉보기에 간단한 것 같지만 의외로 복잡하다. 여기에는 생체분자 반응과 세포 변형 그리고 세포질과 세포 외액의 조건 등이 관련돼 있다.
캠벨 연구원은 “이번 연구에서는 동적 패턴 형성 모델을 사용해 최신의 세포 변형 모델을 세포 안팎의 유체 운동 및 단백질 생화학과 결합시켜 연구를 수행했다”며, “세포의 운동을 예측하기 위해 병렬 슈퍼컴퓨터를 사용하고, 세포 변형성과 유체의 점도, 단백질 확산성을 변화시켜 가면서 아메바의 행동을 연구했다”고 설명했다.
아메바 모양의 세포는 위족의 동역학적 변화에 따라 돌기들이 세포 전면에 널리 퍼지면서 한 방향으로 유영하는 모습을 보여준다. 이 단방향성은 집중된 방향으로 유영 속도가 증가하기 때문인 것으로 보인다. 연구팀은 컴퓨터 모델 시뮬레이션을 활용해 딘백질 확산성과 세포막의 탄성 및 세포질의 점도를 변화시켜 세포 유영 모습을 조사했다.
여러 생물학적 과정에 대한 통찰력 제공
아메바 모양의 세포가 유영하는 모습을 정확하게 모델링하는 데는 많은 어려움이 있었다. 캠벨 연구원은 “이 모델링은 어떠한 수치적 불안정성도 없이 높은 정확도를 가지고 아메바의 변형을 삼차원으로 풀어내야 했다”고 말했다. 운동력을 창출하는 단백질 생화학 기법을 모델링에 추가하고, 유체 운동도 고려해야 했다. 그는 “세포 안팎의 체액은 성질이 다를 수 있으며, 모델링에 그런 차이점도 감안해야 했다”고 덧붙였다.
이 같은 다양한 변수들은 세포 이동 모델링을 최적화하기 위해 통합돼 이동 메커니즘에 대한 새롭고 더욱 정확한 정보를 제공할 수 있게 됐다. 위족을 써서 이동하는 아메바 모양의 세포들은 많은 생물학적 과정에 대한 통찰력을 제공해 줄 수 있다.
캠벨 연구원은 이 같은 이동성이 배아 발생과 상처 치료, 백혈구에 의한 면역 반응 및 전이 암세포에서도 관찰된다고 말했다. 따라서 이번 연구에서 밝혀진 이동성의 원리를 암세포 제어나 면역 강화 등에 활용할 수 방법도 모색할 수 있을 것으로 보인다.
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