유전자 영구 조작 없이 한 번 자극해 세포 운명 전환 '넛지', 줄기세포·면역반응 제어 활용 기대
KAIST가 개발한 '넛지(NUDGE)' 기술 설명(AI 생성 이미지)
줄기세포를 심장세포로 바꾸거나 면역세포의 염증 반응을 줄이려면 어떤 유전자를 자극해야 할까요? 국내 연구진이 유전자를 계속 켜거나 끄지 않고, 한 차례의 일시적인 자극만으로 세포가 원하는 상태로 변하도록 유도하는 기술을 개발했습니다.
KAIST는 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 세포 내부의 자연스러운 유전자 조절 흐름을 이용해 최소한의 개입으로 세포 운명을 바꾸는 원천기술 '넛지(NUDGE)'를 개발했다고 23일 밝혔습니다.
◆ 세포를 고정하지 않고 '방향만 살짝'
세포 운명 제어 기술은 줄기세포를 심근세포나 신경세포처럼 특정 기능을 지닌 세포로 분화시키거나 질병·노화 세포를 정상에 가까운 상태로 되돌리는 데 활용될 수 있습니다.
기존에는 특정 유전자를 계속 켜거나 끈 상태로 유지하는 '영구적 개입' 방식이 주로 사용됐습니다. 하지만 이 경우 세포가 환경 변화에 적응하는 능력인 '가소성'이 떨어지거나, 자연 상태에는 없는 비정상적인 세포 상태가 만들어질 가능성이 있었습니다.
연구팀은 세포를 특정 상태에 강제로 고정하는 대신 한 번의 자극으로 세포 스스로 목표 상태에 도달하도록 하는 방식을 고안했습니다. 막힌 물길을 잠시 열어주면 물이 자연스럽게 흐르는 것처럼, 세포 안에 이미 존재하는 유전자 조절 흐름의 방향만 바꿔주는 원리입니다.
'넛지(NUDGE)' 기술 적용을 위한 4단계
◆ 수많은 유전자 중 '최소 자극 표적' 찾는다
넛지는 컴퓨터 논리 모델을 이용해 세포 안의 유전자들이 서로 어떻게 영향을 주고받는지 분석하고, 현재의 세포를 원하는 상태로 바꾸는 데 필요한 최소한의 제어 인자 조합을 찾아냅니다. 예를 들어 줄기세포를 심근세포로 바꾸려 할 때 수많은 유전자 가운데 어떤 표적을 잠깐 자극해야 하는지를 알려주는 일종의 '최소 자극 설계도'라고 할 수 있습니다.
특히 가능한 최소 제어 조합을 빠짐없이 찾아내고 이를 수학적으로 보장할 수 있다는 점이 특징입니다. 자극 이후 세포가 어떤 경로로 목표 상태에 도달하는지와 그 상태가 안정적으로 유지되는지도 함께 분석할 수 있습니다.
◆ 63개 네트워크 검증…90% 이상 높은 정확도
연구팀은 기존에 보고된 생물학적 네트워크 63개에 넛지를 적용했습니다. 분석 결과, 유전자를 영구적으로 고정하는 기존 방식은 63개 가운데 55개에서 세포의 유연성을 떨어뜨리거나 자연 상태에 존재하지 않는 비정상적인 평형상태를 유발했습니다.
반면 넛지의 최소 제어 방식은 전체 네트워크의 90% 이상에서 오차 0.01 미만의 높은 정확도를 보였고, 가장 효과적인 최소 개입 조합도 83%의 확률로 찾아냈습니다.
◆ 심근세포·면역세포에도 적용
연구팀은 심근세포 분화와 비만세포의 운명 결정, 대식세포의 항염증 상태 전환 등 실제 생명현상에도 넛지를 적용했습니다.
심근세포 분화에서는 심장 발생과 재생에 중요한 'MESP1'이 초기에 잠깐 작동한 뒤 성숙한 심근세포에서는 사라지는 실제 현상을 재현했습니다. 특정 유전자를 계속 작동시키지 않아도 일시적인 자극만으로 자연스러운 분화가 가능하다는 의미입니다.
비만세포에서는 'GATA2'와 'GATA1'이 세포 운명을 결정하는 핵심 지점으로 확인됐고, 대식세포에서는 정상적인 면역 기능을 유지하면서 염증을 줄이는 다양한 'M2' 상태로 전환하기 위한 IL-4 등의 일시적 제어 전략도 도출했습니다.
◆ 질병·노화 세포 정상화까지 활용 기대
이번 기술은 특정 질환이나 세포에만 적용되는 치료법이 아니라, 현재 세포를 원하는 상태로 바꾸기 위해 '어디를 한 번 자극해야 하는지'를 찾아주는 범용 원천기술입니다.
연구팀은 줄기세포 분화뿐 아니라 질병·노화 세포의 정상화, 손상 조직 재생, 면역반응 조절, 암세포를 정상에 가까운 상태로 되돌리는 가역적 치료 전략 설계 등에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
