“사람은 왜 밤만 되면 자야할까?"...수학자가 밝혀낸 '생체시계' 원리는?

KAIST 김재경 교수, 미분방식으로 규명

지난 1954년, 생체시계의 성질이 발견된 후 60여 년간 베일에 가려져 있던 생체시계의 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

KAIST는 김재경 수리과학과 교수가 미분방정식을 이용한 수학적 모델링을 통해 온도 변화에도 생체시계의 속도를 유지하는 원리를 발견했다고 5일 밝혔다.

우리 뇌에 위치한 생체시계는 밤 9시 경이 되면 멜라토닌 분비가 시작되고 아침 7시 경에 멈추게 한다. 이로 인해 우리는 매일 일정한 시간에 잠을 자고 기상할 수 있다.

생체시계는 온도가 변화해도 빨라지거나 느려지지 않고 일정한 속도가 유지된다. 따라서 우리의 체온이 변화해도 규칙적인 삶을 살 수 있고, 이는 환경에 따라 체온이 변하는 변온 동물에게도 적용된다.

이러한 생체시계의 성질은 1954년에 발견됐지만 그 원리는 밝혀지지 않아 지난 60여 년간 생체시계 분야의 가장 큰 미스테리로 남아 있었다.

김 교수는 수학 모델링을 통해 이 원리를 밝혀냈고 모델링 결과는 듀크-싱가폴 국립 의과대학 데이빗 벌쉽(David Virshup) 교수 연구팀의 실험을 통해 검증돼 60년의 난제가 풀렸다.

생체시계에는 Period2라는 핵심 단백질이 존재한다. 이 단백질은 12시간 동안 증가하고 나머지 12시간 동안 분해되는 리듬을 평생 반복한다.

김 교수는 이 Period2 분해가 두 가지 방법으로 발생하는 것을 밝혔다. 하나는 매우 빠른 속도로 분해가 일어나는 것이고 나머지 하나는 매우 느린 속도로 분해가 이뤄지는 것이다. 그리고 두 가지 방법의 비율을 조절하는 것이 Period2에 존재하는 인산화 스위치(Phosphoryltion switch)이다.

Period2 단백질이 인산화 스위치에 의해 낮은 온도 (30도) 에서 분해되는 속도가 더 빨라진다는 것을 보여주는 실험 그래프

인산화 스위치의 역할은 온도가 올라갔을 때 느리게 분해되는 Period2의 양을 늘림으로써 전체적인 분해 속도가 천천히 이뤄지게 만든다. 반대로 온도가 내려갔을 때는 빠르게 분해되는 비율을 늘려 생체시계의 속도를 조절하는 것이다.

결국 생체시계 속도 유지의 핵심은 인산화 스위치이고, 다른 생화학 반응이 빨라져도 생체시계의 속도 유지를 가능하게 만드는 요소인 것이다.

이번 연구에서 밝혀진 인산화 스위치는 생체시계의 속도를 조절할 수 있는 핵심 요소가 될 전망이다. 이 인산화 스위치를 조절할 수 있는 약을 개발한다면 잦은 해외 출장으로 인한 시차, 주야 교대 근무 등에 의한 생체시계 고장을 사전에 방지할 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 “이번 성과를 통해 우리나라에선 아직은 부족한 생물학과 수학의 교류가 활발해지길 기대한다”며 “수학이 생물학의 난제들을 해결하는데 기여할 수 있음을 알리고 싶다”고 말했다.

한편 이번 연구는 듀크-국립 싱가폴 의과 대학 데이빗 벌쉽 (David Virshup) 교수 연구팀, 미국 미시간 대학 (University of Michigan, Ann Arbor) 데니 폴저 (Daniel Forger) 교수와의 공동연구로 진행됐으며, 저명 학술지 셀(Cell) 자매지 몰라큘러 셀(Molecular Cell) 10월 1일자에 게재됐다.