시스템생물학

시스템생물학(Systems biology)은 생물 시스템을 분자 수준이 아닌 시스템 수준에서 연구하는 생물학 분야이며 특히 구성 물질들 사이의 상호작용과 그에 따른 시스템의 전체 기능과 행동에 관한 연구가 주된 목적이다.¹⁾ 기존의 생명과학은 생물의 구성요소를 하나하나 분석하여 그 기능을 알아내는 환원주의(reductionism)적 방식을 통해 발전해왔다. 그러나 생물은 수많은 유전자와 단백질, 화합물 등이 서로 상호작용하며 네트워크를 이루고 있어 생명 현상에 대하여 설명을 하기 위해서는 기존의 환원주의적 연구로는 한계가 있다. 유전체 염기서열 분석 기술과 전산, IT 기술이 발달함에 따라 고속으로 많은 양의 정보처리가 가능해져 점차 다양한 오믹스(Omics) 분석을 통해 생명시스템의 기능을 연구하기 시작하였고, 오믹스 생물학의 발전으로 생명현상을 총체주의(holism)적인 관점에서 해석하고자 하는 시스템생물학의 연구가 시작되었다.²⁾

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목차

시스템생물학이라는 개념이 처음 제시되었던 것은 1960년대 시스템 이론과 생물학을 연관시켜 거론하면서부터이다.³⁾ 이후 DNA 염기서열 분석 기술의 발전으로 더욱 빠르고 많은 서열을 분석할 수 있게 되었고, microarray 기술로 유전자의 발현 정보 또한 대용량 처리가 가능하게 되어 유전자에서 유전체로, RNA에서 전사체로 연구의 범위가 넓어졌다. 단백질과 대사산물 연구 분야도 MALDI-TOF, GC-MS 등 분석기기의 발전으로 대량의 물질분석이 가능하게 되었고, 특정한 대상만을 분석∙연구하는 것이 아닌 세포 내 구성물질 사이의 네트워크를 연구하는 오믹스(Omics) 연구가 성행하게 되었다. 시뮬레이션 소프트웨어의 개발로 생물 시스템 복잡성의 수학적 모델링과 시뮬레이션이 가능하게 되었고, 연구 데이터를 IT기술을 통해 쉽게 공유할 수 있게 되어 시스템생물학이 의학, 약학, 생물학 분야에 전반적으로 자리하게 되었다.

1) 암 시스템생물학은 시스템 생물학을 이용한 대표적인 분야이다. 암 연구는 일반 세포와 암세포의 분자적 차이를 중점적으로 진행되어왔으며 분자생물학 관점에서의 암세포에 대한 지식은 방대하지만, 동시에 분자생물학적 복잡성이 암에 대한 이해와 예측을 방해한다. 암세포 내 분자들의 신호 전달은 평행하지 않은 회로들이 관여하고, 다수의 신호 유발 인자에 의해 활성이 조절된다. 이러한 세포 내 신호 네트워크 외에도 대식세포, 내피세포 등과 상호작용하여 면역반응을 피하거나 자신을 키워나간다. 이렇게 복잡한 네트워크를 이해하려면 암세포뿐만 아니라 유전자, 신호 네트워크, 세포 행동(Cellular behavior), 조직, 임상 증상, 전염 등 시스템적 관점에서 접근해야 하며, 현재 이러한 시스템생물학을 기반으로 암 연구가 진행되고 있다.⁴⁾

L-발린 생산균주를 제조하기 위한 시스템생물학적 접근전략 Park, J.H., Lee, K.H., Kim, T.Y., Lee, S.Y., 2007. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of L-valine based on transcriptome analysis and in silico gene knockout simulation. Proceedings of the National Academy of Sciences 104, 7797-7802.

2) 미생물 대사공학 분야에서는, 대사공학 기술과 전사체학 데이터를 이용하여 L-valine을 생산하는 대장균(Escherichia coli)를 개발한 사례가 있다. 대장균의 유전체에서 L-valine의 생산성을 줄이는 유전자 ilvH, ilvA, leuA, panB을 제거하고 tac 프로모터를 삽입하여 L-valine의 생산에 관여하는 유전자들의 발현을 유도하였고, 전사체 발현 데이터 분석 결과 lrp와 ygaZH 유전자의 발현도의 증가와, 유전자 제거 시뮬레이션 결과 aceF, mdh, pfkA가 제거 대상임을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 aceF, mdh, pfkA 유전자들은 없고 ilvBN, ilvCED, ygaZH, lrp 유전자들을 과발현시켜 약 40 %의 수율을 갖는 대장균 변형체를 만들었다.⁵⁾

이상준/중앙대학교

이진규/이화여자대학교

1. Kitano, H., 2001. Foundations of systems biology. MIT press Cambridge.
2. Kesić, S., 2016. Systems biology, emergence and antireductionism. Saudi journal of biological sciences 23, 584-591.
3. Mesarović, M.D., 1968. Systems theory and biology—view of a theoretician, Systems theory and biology. Springer, pp. 59-87.
4. Kreeger, P.K., Lauffenburger, D.A., 2009. Cancer systems biology: a network modeling perspective. Carcinogenesis 31, 2-8.
5.