시스템 생물학(2011, 고3, 3월)*

ⓒKAIST bio design

기존의 분자 생물학은 구성 요소를 하나하나 분해하여 개별적인 기능을 알아내는 ⓐ환원주의적 방식을 통해 발전해 왔다. 그러나 유기체는 수많은 유전자와 단백질, 다수의 화합물들이 복잡한 반응을 통해 끊임없이 상호 작용하고 있기 때문에 환원주의적 접근만으로 생명 현상의 전모를 이해하는 데에는 한계가 있다. 이러한 문제의식 속에서 대안으로 등장하게 된 것이 시스템 생물학이다.

시스템 생물학은 최근 들어 박테리아에서 인간에 이르는 거의 모든 생물체에 대한 ⓑ생물학적 데이터가 대량으로 축적됨에 따라 주목을 받고 있다. 시스템 생물학자들은 축적된 생물학적 데이터를 바탕으로 특정 생명 현상과 관련된 구성 요소들을 파악하고, 그 구성 요소들 간에 그리고 그 구성 요소들을 포괄하는 시스템 내에 어떠한 상호 작용이 이루어지고 있는지 분석함으로써 고도의 복잡성을 지닌 생명 현상에 대해 설명하고자 한다. 그 방법 가운데 하나가 컴퓨터를 사용하여 생명체와 동일한 원리로 작동하는 프로그램을 만든 후, 그 ⓒ메커니즘을 분석하는 것이다.

가상 심장을 최초로 개발한 데니스 노블은 이러한 방법으로 심장이 박동하는 현상 속에 작동하는 ⓓ심장 근육 세포의 피드백 효과를 설명하였다. 지금까지 심장의 박동은 세포 내의 단백질 채널을 통해 이온의 흐름이 생기면, 그것이 심장의 근육 세포에 전압 변화를 가져옴으로써 발생된다고 설명되어 왔다.

노블은 심장 박동이 이러한 단일의 인과 관계에 의해 나타나는 것이 아니라, 단백질 채널이라는 구성 요소와 그것의 상부 구조라 할 수 있는 근육 세포 간의 상호 작용에 의한 것이라고 보았다. 이를 입증하기 위해 살아 있는 심장을 컴퓨터로 모델화한 후, 다른 조건들은 그대로 둔 채 피드백 효과와 관련된 것만을 수행하지 않도록 만든 실험을 진행하였다. 그리고 이 과정에서 근육 세포의 전압 변화와 단백질 채널인 칼륨 채널, 칼슘 채널, 그리고 혼합 이온 채널의 변화를 살펴보았다.

먼저 처음 1초 동안에는 세포 전압의 진동과 이에 대응되는 단백질 채널의 진동이 네 차례 있었다. 네 차례의 진동 후 세포 전압을 일정하게 유지시켜 세포 전압에서 단백질 채널로의 피드백을 정지시켰다. 단백질 채널의 진동 중에 한 개라도 세포 전압의 진동을 만들어 낼 수 있다면, 단백질 채널은 원래의 진동을 계속할 것이며, 그에 따라 세포 전압의 진동이 발생하

게 될 것이다. 하지만 실험해 본 결과 단백질 채널의 진동이 멈추었고, 각 경우의 활동 수준을 보여주는 선(線)들이 편평해졌다. 이러한 결과는 ⓔ단백질 채널의 작동만으로 심장의 박동이 설명될 수 없으며, 심장의 근육 세포에서 단백질 채널로의 피드백이 심장의 박동을 발생시키는 데 필수적이라는 사실을 증명하는 것이다.

이 실험은 생명 현상이 유전자나 단백질에서부터 세포 소기관이나 세포로 향하는 위 방향으로의 인과 관계로만 발생하는 것이 아니며, 이와 반대되는 ㉠아래 방향으로의 인과 관계도 생명 현상에 중요하게 작용하고 있음을 말해 준다. 노블은 이러한 실험을 바탕으로 하여, 유전자를 중심으로 한 환원주의적 방식에서 벗어나 유기체 내의 다양한 생명 현상에 대해 전체적이고 통합적인 관점으로 접근할 필요가 있다고 주장하였다.

― 데니스 노블, ‘생명의 음악’

48. 다음은 위에 소개된 실험과 관련된 자료이다. 이 자료에 대한 해석으로 적절하지 않은 것은? [3점]

① a의 진동이 b의 편평해진 선으로 바뀐 것은, 실험자의 인위적 조작에 의한 것이다. 

② a와 c의 진동이 네 차례 지속되는 것은, 심장의 박동이 정상적으로 이루어지고 있음을 보여준다.

③ c의 진동이 d의 편평해진 선으로 바뀐 것은, 세포 전압에서 단백질 채널로의 피드백이 정지되었기 때문이다.

④ 칼륨 채널의 진동이 세포 전압의 진동을 만들어 낼 수 있다면, b와 d의 편평해진 선에 변화가 생길 것이다.

⑤ b와 d의 편평해진 선은, 일정 시간이 지나면 단백질 채널의 영향에 의해 세포 전압의 진동이 발생할 것임을 보여준다.

➔ 글의 넷째 문단과 다섯째 문단에 노블의 실험이 소개되어 있다. 이 실험에서 세포 전압을 일정하게 유지하여 단백질 채널로의 피드백을 정지시켰더니 단백질 채널의 진동이 멈추어졌다고 했다. 그리고 이러한 결과는 심장 근육 세포의 피드백이 심장의 박동을 발생시키는 데 필수적이라는 사실을 증명하는 것이라고 했다. 따라서 세포 근육의 진동이 회복되지 않는 한, ⑤에서처럼 단백질 채널만의 영향으로 세포 전압의 진동을 유발할 수 없는 것이다. 정답 ⑤번.

[오답풀이] ④ 다섯째 문단의 ‘단백질 채널의 진동 중에 한 개라도 세포 전압의 진동을 만들어 낼 수 있다면, 단백질 채널은 원래의 진동을 계속할 것이며, 그에 따라 세포 전압의 진동이 발생하게 될 것이다.’라는 내용에 해당한다.