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수학 모델로 불안정한 수면 사이클 원인 밝혀
우리 대학 연구진이 수학적 모델을 이용해 세포질 혼잡을 유발하는 비만과 치매, 노화가 어떻게 불안정한 수면을 유발하는지를 밝히고 해결책을 제시했다.
수리과학과 김재경 교수 연구팀은 수학적 모델을 이용해 세포 내 분자 이동을 방해하는 세포질 혼잡(Cytoplasmic congestion)이 불안정한 일주기 리듬(Circadian rhythms)과 수면 사이클을 유발함을 예측하고, 미국 플로리다 주립대학 이주곤 교수 연구팀과 실험을 통해 검증하는 데 성공했다고 9일 밝혔다.
수리과학과 김대욱 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `미국국립과학원회보(PNAS)' 10월 26일 字 온라인판에 실렸다. (논문명 : Wake-sleep cycles are severely disrupted by diseases affecting cytoplasmic homeostasis)
우리 뇌 속에 있는 생체시계(Circadian clock)는 인간이 24시간 주기에 맞춰 살아갈 수 있도록 행동과 생리 작용을 조절하는 역할을 한다. 생체시계는 밤 9시경이 되면 우리 뇌 속에서 멜라토닌 호르몬의 분비를 유발해 일정 시간에 수면을 취할 수 있도록 하는 등 운동 능력이나 학습 능력에 이르기까지 거의 모든 생리 작용에 관여한다.
2017년 노벨생리의학상을 수상한 마이클 영, 제프리 홀 그리고 마이클 로스바쉬 교수는 *PER 단백질이 매일 일정한 시간에 세포핵 안으로 들어가 PER 유전자의 전사를 일정 시간에 스스로 억제하는 음성피드백 루프를 통해 24시간 주기의 리듬을 만드는 것이 생체시계의 핵심 원리임을 밝혔다.
☞ PER 단백질: 포유류의 일주기 리듬을 통제하는 핵심 생체시계 단백질이다. 세포질에서 번역(translation)된 PER 단백질은 핵 안으로 들어가 자기 자신의 DNA 전사(transcription)를 조절한다. 이로 인해 세포 내 PER 단백질의 농도는 24시간 주기로 변화한다.
하지만 다양한 물질이 존재하는 복잡한 세포 내 환경에서 어떻게 수천 개의 PER 단백질이 핵 안으로 일정한 시간에 들어갈 수 있는지는 오랫동안 생체시계 분야의 난제로 남아있었다. 이는 서울 각지에서 출발한 수천 명의 직원이 혼잡한 도로를 통과해서 매일 같은 시간에 회사에 들어갈 수 있는 방법을 찾는 것과도 같은 문제다.
김 교수 연구팀은 난제 해결을 위해 세포 내 분자의 움직임을 묘사하는 시공간적 확률론적 모형(Spatiotemporal Stochastic model)을 자체 개발했다. 또 이를 이용해 분석한 결과, PER 단백질이 세포핵 주변에서 충분히 응축돼야만 동시에 인산화돼 핵 안으로 함께 들어간다는 사실을 알아냈다.
김 교수는 "인산화 동기화 스위치 덕분에 수천 개의 PER 단백질이 일정한 시간에 함께 핵 안으로 들어가 안정적인 일주기 리듬을 만들어낼 수 있음을 확인했다ˮ고 설명했다.
김 교수팀은 또 PER 단백질의 핵 주변 응축을 방해하는 지방 액포와 같은 물질들이 세포 내에 과도하게 많아져 세포질이 혼잡해지면 인산화 스위치가 작동하지 않아 불안정한 일주기 리듬과 수면 사이클이 유발된다는 사실도 확인했다.
김재경 교수팀의 수리 모델 예측은 미국 플로리다 주립대학 이주곤 교수 팀과 협업을 통해 실험으로 검증하는 한편 한 발짝 더 나가 비만·치매·노화가 세포질 혼잡을 일으킴으로써 수면 사이클의 불안정을 가져오는 핵심 요인임을 규명하는 데도 성공했다. 세포질 혼잡 해소가 수면 질환 치료의 핵심이기 때문에 김 교수팀의 이번 연구는 수면 질환 치료의 새로운 패러다임을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.
김재경 교수는 "비만과 치매, 그리고 노화가 불안정한 수면을 유발하는 원인을 수학과 생명과학의 융합 연구를 통해 밝힌 연구ˮ라고 소개하면서 "이번 성과를 통해 수면 질환의 새로운 치료법이 개발되기를 기대한다ˮ라고 말했다.
2020.11.09 조회수 1354 -
이창옥 교수, 대한수학회 2020년 학술상 수상
우리대학 수리과학과 이창옥 교수가 대한수학회의 2020 학술상 수상자로 선정됐다.
대한수학회가 다년간 우수한 연구 업적을 낸 회원에게 수여하는 상으로 이 교수는 건축, 구조해석 등의 기본인 유한요소법(대상을 유한개로 분할해 각 영역에 대한 계산을 하는 기법)으로 수학 문제를 풀 때 시간을 줄이는 병렬계산 영역분할법을 개발했다. 최근에는 의료영상 데이터 연구에 편미분방정식 등에 기반한 영역분할법을 적용하면서 유한요소법의 응용 범위를 확장하고 있다.
시상식은 10월 23~24일 온라인으로 열리는 대한수학회 정기총회 및 가을 연구발표회에서 진행될 예정이다.
2020.10.23 조회수 728 -
김재경 교수, 수학 모델 통해 세포 상호작용 원리 규명
〈김재경 교수〉
우리 대학 수리과학과 김재경 교수와 라이스 대학 매튜 베넷(Matthew Bennett), 휴스턴 대학 크레시미르 조식(Kresimir Josic) 교수 공동 연구팀이 합성생물학과 수학적 모델을 이용해 세포들이 넓은 공간에서 효과적으로 의사소통하는 방법을 발견했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)’ 10월 14일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 :Long-range temporal coordination of gene expression in synthetic microbial consortia)
〈박테리아들의 복잡한 상호작용을 수학을 이용해 원위의 점들의 상호작용으로 단순화한 모식도〉
세포들은 신호 전달 분자(Signalling molecule)를 이용해 의사소통하는데 이 신호는 보통 아주 짧은 거리만 도달할 수 있다. 그런데도 세포들은 넓은 공간에서도 상호작용하며 동기화를 이뤄낸다.
이는 마치 넓은 축구장에 수만 명의 사람이 주변 3~4명의 박수 소리만 들을 수 있는데도 불구하고 모두가 같은 박자로 손뼉을 치는 것과 비슷한 상황이다. 이러한 현상이 가능한 이유는 무엇일까?
연구팀은 합성생물학을 이용해 만든 전사 회로(Transcriptional circuit)를 박테리아(E. coli)에 구축해 주기적으로 신호 전달 분자를 방출할 수 있도록 했다. 처음엔 제각기 다른 시간에 신호 전달 분자를 방출하던 박테리아들은 의사소통을 통해 같은 시간에 주기적으로 분자를 방출하는 동기화를 이뤄냈다.
하지만 박테리아를 넓은 공간으로 옮겼을 땐 이러한 동기화가 각 박테리아의 신호 전달 분자 전사 회로에 전사적 양성 피드백 룹 (Transcriptional positive feedback loop)이 있을 때만 가능하다는 것을 발견했다.
양성 피드백 룹은 단백질이 스스로 유전자 발현을 유도하는 시스템으로, 전달받은 신호를 증폭하는 역할을 한다. 연구팀은 이러한 역할을 자세히 이해하기 위해 편미분방정식(Partial differential equation)을 이용해 세포 내 신호 전달 분자의 생성과 세포 간 의사소통을 정확하게 묘사하는 수학적 모델을 개발했다.
그러나 전사 회로를 구성하는 다양한 종류의 분자들 사이의 상호작용을 묘사하기 위해서는 고차원의 편미분방정식이 필요했고 이를 분석하기는 쉽지 않았다.
이를 극복하기 위해 연구팀은 시스템이 주기적인 패턴을 반복한다는 점에 착안해 고차원 시스템을 1차원 원 위의 움직임으로 단순화했다. 달은 고차원인 우주 공간에서 움직이지만, 궤도를 따라 주기적으로 움직이기에 달의 움직임을 1차원 원 위에서 나타낼 수 있는 것과 같은 원리이다.
이를 통해 연구팀은 박테리아 사이의 복잡한 상호작용을 원 위를 주기적으로 움직이는 두 점의 상호작용으로 단순화할 수 있었다.
연구팀은 양성 피드백 룹이 있으면 두 점의 위치 차이가 커도 시간이 지날수록 점점 차이가 줄어들어 결국 동시에 움직이는 것을 확인했다. 연구팀은 이러한 수학적 분석 결과를 실험을 통해서 검증함으로써 넓은 공간에서 세포가 효과적으로 상호작용하는 방식을 규명했다.
김재경 교수는 “세포들이 자신의 목소리는 낮추고 상대방의 목소리에는 더 귀 기울일 때만 한목소리를 낼 수 있다는 점이 인상적이다”라며 “이러한 원리는 수학을 이용한 복잡한 시스템의 단순화 없이는 찾지 못했을 것이다. 복잡한 것을 단순하게 볼 수 있도록 해주는 것이 수학의 힘이다”라고 말했다.
2019.10.15 조회수 2026 -
김재경 교수, 수학적 모델링 통해 신약 개발 걸림돌 해소
〈 김대욱 박사과정, 김재경 교수 〉
우리 대학 수리과학과 김재경 교수와 글로벌 제약회사 화이자(Pfizer)의 장 청(Cheng Chang) 박사 공동연구팀이 수학적 모델을 기반으로 동물 실험과 임상 시험 간 차이가 발생하는 원인을 밝히고 그 해결책을 제시했다.
연구팀은 일주기 리듬 수면 장애 신약을 개발하는 과정에서 동물 실험과 임상 시험 간 발생하는 차이 문제를 수학적 모델을 이용해 해결함으로써 신약 개발의 가능성을 높였다. 또한, 동물과 사람 간 차이 뿐 아니라 사람마다 발생하는 약효의 차이 발생 원인도 밝혀냈다.
김대욱 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘분자 시스템 생물학 (Molecular Systems Biology)’ 7월 8일자 온라인판에 게재됐고, 우수성을 인정받아 7월호 표지논문으로 선정됐다. (논문명 : Systems approach reveals photosensitivity and PER2 level as determinants of clock-modulator efficacy)
신약을 개발하기 위해 임상 시험 전 단계로 쥐 등의 동물을 대상으로 전임상 실험을 하게 된다. 이 과정에서 동물에서 보였던 효과가 사람에게선 보이지 않을 때가 종종 있고 사람마다 효과가 다르게 나타나기도 한다. 이러한 약효의 차이가 발생하는 원인을 찾지 못하면 신약 개발에 큰 걸림돌이 된다.
수면 장애는 맞춤형 치료 분야에서 개발이 가장 더딘 질병 중 하나이다. 쥐는 사람과 달리 수면시간이 반대인 야행성 동물이다 보니 수면시간을 조절할 수 있는 치료제가 실험 쥐에게는 효과가 있어도 사람에게는 무효한 경우가 많았다. 하지만 그 원인이 알려지지 않아 신약 개발에 어려움이 있었다.
연구팀은 이러한 차이의 원인을 미분방정식을 이용한 가상실험과 실제 실험을 결합해 연구했고, 주행성인 사람은 야행성인 쥐에 비해 빛 노출 때문에 약효가 더 많이 반감되는 것이 원인임을 밝혔다. 이는 빛 노출 조절을 통해 그동안 사람에게 보이지 않던 약효가 발현되게 할 수 있음을 뜻한다.
수면 장애 치료 약물의 약효가 사람마다 큰 차이를 보이는 것도 신약 개발의 걸림돌이었다. 연구팀은 증상이 비슷해도 환자마다 약효 차이가 나타나는 원인을 밝히기 위해 수리 모델링을 이용한 가상환자를 이용했다.
이를 통해 약효가 달라지는 원인은 수면시간을 결정하는 핵심 역할을 하는 생체시계 단백질인 PER2의 발현량이 달라서임을 규명했다.
또한, PER2의 양이 낮에는 증가하고 밤에는 감소하기 때문에 하루 중 언제 투약하느냐에 따라 약효가 바뀜을 이용해 환자마다 적절한 투약 시간을 찾아 최적의 치료 효과를 가져오는 시간요법(Chronotherapy)를 개발했다.
김재경 교수는 “수학이 실제 의약학 분야에 이바지해 우리가 좀 더 건강하고 행복한 삶을 살 수 있는데 도울 수 있어 행복한 연구였다”라며 “이번 성과를 통해 국내에선 아직은 부족한 의약학과 수학의 교류가 활발해지길 기대한다”라고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 김재경 교수 연구팀 성과 개념도
그림2. 맞춤형 시간 치료법 (Chronotherapy) 개념도
2019.07.09 조회수 3650 -
엄상일·차미영·김호민 교수, 기초과학연구원(IBS) CI로 선정돼
〈기초과학연구원 CI로 선정된 엄상일·차미영·김호민 교수(왼쪽부터)〉
우리대학 엄상일(42세)·차미영(39세)·김호민(40세) 교수가 최근 기초과학연구원이 출범한 2개 연구단의 연구책임자격인 CI(Chief Investigator)에 선정됐다. 이들은 새로운 형태의 연구단인 'PRC'(Pioneer Research Center)에서 독립적인 연구 그룹을 구성한다.
PRC는 IBS 연구단의 한 종류로, 최대 다섯 명의 CI가 각 연구그룹을 이끌 수 있는데 그룹별로 5년간 10∼15억 원의 연구비가 지원된다. 엄상일·차미영 교수는 수리 및 계산과학 연구단 내의 이산수학 그룹과 데이터 사이언스 연구그룹을 각각 이끈다.
엄상일 교수는 한국인 전공자가 많지 않은 그래프 이론 분야에서 국제적 인지도를 쌓아왔다.
그래프 이론은 컴퓨터와 더불어 발전한 수학의 연구 분야다. 산업 현장에 필요한 효율적인 일정 짜기, 일상에서 흔히 사용되는 내비게이션 최단거리 알고리즘 등에 활용한다.
차미영 교수는 아시아 최초로 페이스북 데이터사이언스팀 초빙교수로 근무한 경력을 갖고 있다. 피인용 지수가 1만1천회(구글 집계 기준)를 넘어서는 등 인지도도 높다. 차 교수는 "빅데이터에 기반을 둔 가짜 뉴스 탐지를 비롯해 중요한 미래예측기술을 개발할 방침"이라고 말했다. 이밖에 김호민 교수는 바이오 분자 및 세포구조 연구단 안에서 연구를 진행한다. 구조 생물학 분야에서 혁신적 성과를 창출해온 김 교수는 단백질 구조와 작동원리를 밝혀 다양한 치료제 후보 물질을 개발하는 데 도전할 방침이다.
2개 연구단이 새롭게 출범함으로써 IBS 연구단은 모두 30개(본원 7개·캠퍼스 14개·외부 9개)로 늘어나게 됐다. 분야별로는 수학 2개, 물리 9개, 화학 6개, 생명과학 7개, 지구과학 1개, 융합 5개 등이다.
2018.12.03 조회수 3239 -
백형렬 교수, 2018 상산젊은수학자 상 수상
〈 백 형 렬 교수 〉
우리 대학 수리과학과 백형렬 교수가 대한수학회가 주관하는 ‘2018년 상산젊은수학자 상’ 수상자로 선정됐다.
시상식은 지난 5일 서울 코엑스에서 대학수학회와 독일수학회가 공동으로 주관하는 국제학술회의에서 열렸다.
상산젊은수학자 상은 박사학위 취득 후 5년 이내의 우수 신진 연구자에게 주어지는 상으로 백 교수는 기하위상수학의 주요 업적들을 바탕으로 향후 해당 분야를 주도할 연구자로 평가받아 수상했다.
백 교수는 저차원 위상수학, 기하위상수학, 기하군론 등의 분야에서 활발히 연구하고 있다. 특히 박사학위 연구로 쌍곡곡면군을 완전히 특정짓는 새 기준을 발견하고 이를 토대로 3차원 쌍곡다양체군의 성질에 대한 추론을 제시했다.
최근에는 미국 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 에릭 샘퍼튼(Eric Samperton) 박사와 공동으로 ‘그룹의 불변 원형 순서들로 이뤄진 위상공간(Spaces of invariant circular orders of groups)’이라는 주제의 논문을 발표했다.
이 논문은 2018년 유럽 수학회에서 발간하는 저명한 국제 학술지 ‘그룹, 지오메트리, 다이나믹스(Groups, Geometry, and Dynamics)’에 게재됐다. 이후 군의 원형질서에 대한 많은 연구자들의 후속 연구가 이어져 새 연구 분야를 개척한 것으로 주목받았다.
백 교수는 “이렇게 큰 상을 주셔서 무척 기쁘고 감사하다. 시상식에서 딸에게 자랑스러운 아빠의 모습을 보여줄 수 있어서 행복했다. 기대에 부응해서 앞으로도 좋은 연구로 보답하고 싶다”고 말했다.
2017년부터 수리과학과 교수로 재직 중인 백형렬 교수는 수리과학과 학부를 졸업한 후 미국 코넬 대학교에서 박사학위를 받고, 2년 6개월 동안 독일의 본(Bonn) 대학에서 연구원으로 재직했다.
부임 첫 해인 2017년 포스코 사이언스 펠로우, 삼성미래기술육성재단 연구과제에 선정되는 등 우리나라를 빛낼 젊은 과학자로 주목받고 있다.
2018.10.29 조회수 2248 -
영재키움 프로젝트 발대식 개최
우리 대학 과학영재교육연구원(원장 이창옥)이 교육부가 주관하는 ‘영재키움 프로젝트’ 사업의 운영 기관으로 선정돼 학생 및 멘토 교사 800여 명을 대상으로 12일 오후 3시 30분 발대식을 갖는다.
영재키움 프로젝트는 사회, 경제적 이유로 타고난 잠재력을 충분히 발휘할 수 없었던 학생들을 대상으로 영재교육 기회를 실질적으로 보장하는 프로그램으로 과학영재교육연구원은 지난 3월 15일자로 운영기관에 최종 선정됐다.
이 사업은 전국의 학생을 대상으로 1차 년도에는 초등학교 4학년에서 고등학교 1학년을 선발해 최소 3년, 최대 9년을 지원할 수 있다. 현재 시도교육청 추천으로 학생 400여명 및 멘토 교사 400여명을 선정했고 발대식을 시작으로 맞춤형 영재교육 프로그램을 제공할 예정이다.
발대식은 캠퍼스 투어, 영재키움 발대식 축사 및 환영사, 명사 특강, KAIST 졸업생 강연 및 축하 공연 등으로 구성됐다.
신성철 총장, 이태억 교육원장, 교육부 최은옥 평생미래교육국장, 영재키움 참여 학생 및 멘토 교사, 시도교육청 관계자 1천여 명 등이 참석할 예정이다.
신성철 총장은 “이번 영재키움 프로젝트를 통해 KAIST의 사회적 책임과 진정한 사회공헌을 보여주는 좋은 본보기가 될 것이다”며 “사회경제적 이유로 좌절하는 학생이 없도록 모든 아이의 영재성을 키우는 프로젝트가 되도록 물심양면으로 지원 하겠다”고 말했다.
2018.05.11 조회수 4306 -
주영석 교수, 휴먼프론티어 국제연구비 지원대상 선정
〈 주 영 석 교수 〉
우리 대학 의과학대학원 주영석 교수가 국제기구 휴먼 프론티어 과학 프로그램(HFSP, Human Frontiers Science Program)이 3월 26일 발표한 2018 HFSP 신진연구자 연구비 지원 대상자로 선정됐다.
휴먼 프론티어 과학 프로그램(이하 HFSP)은 1989년 G7회원국과 유럽연합을 중심으로 생명과학분야의 혁신적인 첨단 연구를 활성화하기 위해 설립됐다. 우리나라를 포함한 미국, 유럽연합, 일본, 영국 등 15개 나라의 재정적 지원을 받고 있다.
주 교수는 응모한 60여 개국 158팀 중 선발된 8팀 가운데 세 번째 순위로 선정됐다. 신진 연구자 부문 중 우리나라 대학 연구자가 지원을 받는 것은 주영석 교수가 네 번째이다. KAIST는 지난해 수학과 김재경 교수에 이어 2년 연속 수상자를 배출했다.
주 교수는 암 유전체학을 전공한 의사 출신 컴퓨터 생물학자로 암 세포 유전체의 DNA 돌연변이를 일으키는 분자적 원인을 생명정보학 기술을 통해 규명해 왔다. 최근 네이쳐, 사이언스, 유전체 연구(Genome Research), 임상 종양학 저널(Journal of Clinical Oncology) 등 세계적인 학술지에 잇달아 논문을 게재했다.
주 교수는 미니 장기 조직공학자인 오스트리아 분자 생명기술연구소(IMBA) 구본경교수, 분자 이미징 전문가인 네덜란드 유트레흐트 의과대학의 스니퍼트(Snippert Hugo) 교수와 함께 ‘위암 세포의 진화에서 나타나는 초돌연변이(hypermutation) 기전의 영향 추적분석’이라는 주제로 3년간 총 105만 달러를 지원받는다.
주 교수는 “신진 연구자로서 국제 연구비 지원을 받게 되어 영광스럽게 생각한다”며 “국제 공동연구를 통해 그동안 밝히지 못했던 암 진화의 기전을 단일세포 수준에서 이해할 수 있는 획기적 연구를 진행하겠다”고 말했다.
2018.04.23 조회수 5241 -
이지운 교수, 대한수학회 '2017년 논문상' 수상
우리대학 수리과학과 이지운 교수가 대한수학회가 주는 ‘2017년 논문상’수상자로 선정됐다. 이지운 교수는 준 인(Jun Yin) 美 위스콘신 대학교 교수와 공동저자로 ‘위그너 행렬에서 끝 보편성이 성립할 필요충분조건 (A necessary and sufficient condition for edge universality of Wigner matrices)’이라는 주제의 논문을 발표했는데 해당 논문은 2014년 美 듀크 대학이 출간하는 Duke Math 저널에 게재됐다.
이 교수는 이 논문에서 위그너 행렬의 최대 고유치가 Tracy-Widom 분포로 수렴할 필요충분조건을 찾아냈다. 이 결과는 랜덤행렬 이론분야에서 지난 수십 년간 연구되어 온 난제 중 하나를 해결한 것으로 해당 학문 분야의 발전에 기여한 공로를 인정받아 수상자로 선정되는 영예를 안았다. 시상식은 대한수학회 학술기간 중인 4월 29일(土) 오후 6시 조선대학교 전자정보공과대 IT홀에서 개최된다.
이지운 교수는 서울대에서 물리학과와 수학과를 졸업한 후 미국 하버드대에서 박사학위를 받고 지난 2010년부터 KAIST 수리과학과 부교수로 재직 중이다. 2014년 ‘포스코 사이언스 펠로’로 선정됐으며 대한수학회가 선정한 ‘상산젊은수학자상’을 수상하는 등 한국을 빛낼 젊은 과학자로 주목받고 있다.
2017.04.27 조회수 4998 -
최건호 교수, 네이버 커넥트재단 초청 '금융속의 확률' 강연 실시
〈 최 건 호 교수 〉
우리 대학 수리과학과 최건호 교수가 지난 3월 30일 네이버 본사 그린팩토리 강당에서 '금융 속의 확률'이라는 제목으로 강연을 했다.
최 교수는 네이버 커넥트 재단 초청을 통해 이번 릴레이 강연에 합류했다.
옵션 이론을 중심으로 일반인을 대상으로 질문 시간을 포함 두 시간 진행된 강연은 수학의 대중화을 목표로 하는 커넥트 재단이 매달 개최하는 강연 가운데 하나이다.
강연 동영상은 커넥트재단 홈페이지에서 찾아볼 수 있다. 끝.
http://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=6757447&memberNo=23260204&navigationType=push
2017.04.21 조회수 3952 -
김재경 교수, 노벨상 펀드 지원 대상자 선정
〈 김 재 경 교수 〉
우리 대학 수리과학과 김재경 교수가 국제기구인 휴먼 프론티어 과학 프로그램(HFSP, Human Fontiers Science Program)에서 지원하는 2017 HFSP 신진연구자 연구비 지원 대상자로 선정됐다.
휴먼 프론티어 과학 프로그램(이하 HFSP)은 1989년 G7회원국과 유럽연합을 중심으로 생명과학분야의 혁신적인 첨단 연구를 활성화하기 위해 설립됐다.
이후 1990년 시작된 HFSP 연구비 지원 대상자 7천여 명 중 26명이 노벨상을 수상해 노벨상 펀드라 불리기도 한다.
신진 연구자 부문 중 한국인 연구자가 지원을 받는 것은 김 교수가 두 번째이다. 올해는 60여 개국에서 지원한 1천 73팀 중 신진연구자는 김 교수와 서울대학교의 김성연 교수 연구팀을 포함해 9팀이 선정됐다.
김 교수는 수학자로서 뇌 과학자인 하빅스(Havekes) 흐로닝언 대 학(University of Groningen) 교수, 에이톤(Aton) 미시간 대학(University of Michigan) 교수, 쥬브리겐(Zurbriggen) 두셀도프 대 학(University of Düsseldorf) 교수와 함께 ‘생체리듬(Circadian rhythms)과 수면이 뇌 인지활동에 미치는 영향에 관한 연구’라는 주제로 3년간 매년 45만 달러를 지원받는다.
김 교수는 수학자이지만 생물학 실험실들과 공동 연구를 통해 다양한 생물학적 난제를 비선형 역학이론과 확률론 등 수학 이론을 이용해 해결했다. 그 결과 최근 사이언스, 몰레큘라 셀, 미국립과학원회보, 네이처 커뮤니케이션즈 등 저명 저널에 잇달아 논문을 게재하는 등 수학계와 생물학계 모두에서 주목을 받고 있다.
김 교수는 “우리에게 너무나 익숙한 수면이지만 실제로 수면이 우리 뇌 활동에 어떠한 영향을 미치는지는 거의 알려져 있지 않다. 수학자로서 뇌 과학자와 협력해 생명과학자가 기존에 밝히지 못한 복잡한 뇌 현상을 이해할 수 있는 획기적 연구를 할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 말했다.
또한 “아직 생소하지만 국내에서도 수학자와 생명과학자 사이에 활발한 연구가 정착되기를 소망한다”고 말했다.
2017.03.22 조회수 5562 -
김재경 교수, 수학 통해 암과 생체시계의 핵심 연결고리 발견
〈 이번 연구에 참여한 김재경 교수와 버지니아 공대 연구팀 〉
우리 대학 수리과학과 김재경 교수가 미분방정식을 이용한 수학적 모델링을 통해 생체시계가 암 억제 핵심 물질인 p53을 24시간 주기로 변화시키는 원리를 예측했다.
그리고 김재경 교수의 수학적 모델링은 미국 버지니아 공대 칼라 핀키엘스타인(Carla Finkielstein, 아르헨티나) 교수 연구팀의 실험을 통해 검증돼 생체시계와 암 사이에 중요한 연결고리가 있음이 증명됐다.
이번 연구 결과는 미국의 저명 학술지 미국국립과학원회보(PNAS) 11월 9일자 온라인 판에 게재됐다.
뇌 속의 생체 시계는 우리가 24시간 주기에 맞춰 살 수 있도록 행동과 생리작용을 조절한다. 밤 9시가 되면 뇌 속의 멜라토닌 호르몬이 분비를 유발해 일정 시간에 수면을 취하게 하는 등 세포분열부터 운동 및 학습 능력 등 다양한 생리 작용에 관여한다.
만성적 야근, 교대 근무 등으로 인해 생체 시계와 실제 시간이 충돌해 생체 시계의 교란이 생기면 당뇨, 암, 심장병 등 다양한 질병을 유발할 수 있다.
지난 2014년 김 교수가 버지니아 공대의 칼라 핀키엘스타인 교수 연구팀과 만났을 때 핀키엘스타인 교수 연구팀은 암 억제물질인 p53이 24시간을 주기로 변화함을 관찰했지만 어떤 원리로 생체시계가 p53의 24시간 주기 리듬을 만들어내는지는 알지 못하는 상태였다.
p53이 세포의 조절 시스템 중에서도 매우 복잡한 시스템으로 구성돼 실험만을 통해 원리를 밝혀내기엔 많은 시간과 인력이 소모되기 때문이다.
김 교수는 문제 해결을 위해 수리모델링을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수백만 경우의 가상 실험을 실시했다. 시행착오에 기반한 전통적 실험 대신 수리모델을 이용함으로써 비용, 시간, 인력 등을 줄일 수 있었다.
김 교수는 이 과정에서 생체 시계의 핵심 역할을 하는 물질인 Period2 단백질이 p53의 생체리듬과 깊은 관련이 있음을 밝혔다. 세포는 크게 핵과 세포질 두 가지 성분으로 나뉜다. p53은 핵과 세포질에 모두 존재할 수 있는데 이 중 핵 안으로 p53이 들어가면 안정화돼 분해가 느리게 일어난다.
김 교수는 p53 단백질을 핵 안으로 끌고 들어가는 물질이 생체 시계의 핵심 역할을 하는 Period2 단백질임을 예측했다.
이러한 김 교수의 수리모델을 통한 예측들은 핀키엘스타인교수 연구팀에 의해서 실험으로 검증돼 생체시계와 암 사이의 핵심 연결 고리를 발견할 수 있었다.
이번 연구는 p53 단백질을 정상화하는 수많은 항암제들이 투약 시간에 따라 효과가 달라졌던 원인을 규명하고 최적의 항암제 투약 시간을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
연구팀은 생체시계가 불안정한 교대 근무 직종 종사자들이 암 발병 확률이 높아지는 원인 규명 및 치료법 개발에 역할을 할 것으로 예상된다고 밝혔다.
김 교수는 “간호사, 경찰 등 교대 근무로 인해 고생하시는 분들이 좀 더 건강한 생활을 할 수 있도록 수학을 통해 조그만 기여를 하게 돼 기쁘다”며 “이번 성과를 통해 우리나라에서 아직은 부족한 생물학과 수학의 교류가 활발해지길 기대한다”고 말했다.
미국 버지니아 공대와 공동으로 진행한 이번 연구는 포스코 청암 재단, 미국과학연구재단, 한국연구재단의 신진연구자 지원 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 수학과 실험을 통해서 밝혀진 생체시계의 핵심 단백질 Period2(Per2)와 암 억제 핵심 물질인 p53의 복잡한 상호작용
그림2. 이번 연구에서 사용된 수리모델의 일부
2016.11.10 조회수 8319