시스템 생물학

시스템 생물학은 전산학적이나 수학적 모델화(modeling)를 통해 생물학적 현상의 총체적 분석을 목표로 하는 학문이다. 즉 생물 시스템의 구성 요소 하나하나의 특성을 분석하는 환원주의적 방식을 탈피해 각 요소들의 상호작용이 복잡한 생명현상으로 이어지는 전체 기전과 과정을 융합하는 성격을 가진 분야이다. 

목차

현대 생물학에서 가장 널리 쓰이는 분석 기법은 생명체의 구성 요소를 하나씩 제거하거나 추가하여 그 효과를 검증하는 방식이다. 개별 유전자, 단백질 등을 대상으로 이루어진 이른바 환원주의적 연구는 무수한 유전자와 단백질의 상호작용 속에서 이루어지는 전체 생명현상을 이해하는데 제한적일 수밖에 없다.

생물학의 한 주제로 생각해 본다면 시스템 생물학은 각 요소의 상호 작용에 관한 연구로 볼 수 있다. 예를 들자면 효소의 기능 자체 보다는 효소가 기능을 하는 대사 신호전달 체계 내 전체 구성 요소 간의 상호 작용이 어떻게 세포 기능과 반응을 제어하는가에 대한 연구인 것이다.

또한 시스템 생물학은 계량적 학문이다. 많은 요소의 활동을 동시에 혹은 순차적으로 측정 및 수치화하여 생물 시스템을 반영하는 수학적 모형(또는모델)을 제시하는 것은 시스템 생물학의 필수적 요소이다. 이후 이에 근거한 가설을 실험적으로 검증하고 모델을 정제해 가는 과정이 따라오게 되는 것이다.

역사적 관점에서 보면 20세기 초기에 이루어진 다양한 연구가 오늘날 시스템 생물학의 기반에 기여하였다. 예를 들면 효소반응속도론(enzyme kinetics), 개체군통태론(population dynamics), 신경전기생리학(neuroelectriphysiolgy) 등의 분야에서 이루어진 연구가 생물학 내에서 정량 및 계량의 원칙과 중요성을 확립한 것이다.

1990년대에 이르러 기능유전체학의 시대가 도래하면서 현대 시스템생물학이 핵심 생물학 연구 분야로 떠오르기 시작하였다. 다량의 데이터, 상승된 연산 능력, 대형 유전체 분석 프로젝트의 완수 등은 이른바 체학 즉 오믹스(omics) 기술의 발전과 함께 현실적인 생명 시스템 모델의 제시, 검증, 정제, 그리고 응용을 가능하게 하고 있다(그림 1).

그림 1. 시스템 생물학적 접근의 모사화 (출처: 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/Systems_biology#/media/File:Genomics_GTL_Pictorial_Program.jpg)

비교적 최근에 만들어진 용어인 오믹스 또는 체학은 특정 생체분자(biomolecule) 집합 전체에 대한 계량을 통해 기능 분석을 가능하게 하는 기법 또는 이를 추구하는 분야를 의미한다. 접미사인 ‘–ome’은 ‘무언가의 전체’라는 뜻을 가진다. 따라서 오믹스는 시스템 생물학의 기본 자료로 필수적인 데이터의 생산과 분석을 담당하는 부분이라고 볼 수 있다. 오믹스는 대상 생체분자에 따라 다양한 종류가 있으며 대표적인 오믹스를 아래 정리하였다.

-유전체(genome): 유전체는 주어진 생물의 전체 유전자 서열과 정보의 총체를 지칭한다. 이를 연구하는 학문을 유전체학(genomics)이라 한다. 다양한 종간의 유전체 비교, 다양한 질병과 관련된 유전적 특징, 암과 같은 질병을 일으키는 변이 등이 유전체 분석을 바탕으로 하는 연구의 예이다.

-전사체(transcriptome): 전사체는 특정 세포나 조직에서 RNA로 발현되는 유전자의 전사물 전체이다. 전사체의 구성은 같은 세포라 할지라도 변화하는 조건에 따라 크게 변할 수 있다. 또한 발현되는 유전자 자체 뿐만 아니라 발현되는 양 역시 측정하는 계량적 목표를 가지고 있다. 즉 전사체 분석의 가장 중요한 목표는 차등발현유전자(differentially expressesd gene)를 발견하고 기능을 규명하는 것이라고 볼 수 있다.

-후성유전체(epigenome): 후성유전체는 유전체의 서열변화가 없는 상황에서 전사조절에 영향을 미치는 후성적 변형의 총체적 데이터이다. 여기에는 DNA와 히스톤(histone)에 이루어지는 분자적 변형이 대부분이며 대표적으로 아세틸화(acetylation)과 메틸화(methylation)이 있다.

-단백질체(proteome): 단백질체는 특정 세포나 조직에서 생성되는 단백질의 총체를 의미한다. 단백질체는 전사를 통해 생성된 RNA로부터 만들어 지기 때문에 상황에 따라 전체적인 구성과 단백질 별 양이 변하는 것은 전사체와 유사한 경우가 많다.  

효소반응속도론(enzyme kinetics), 개체군통태론(population dynamics), 신경전기생리학(neuroelectriphysiolgy), 오믹스(omics), 생체분자(biomolecule), 유전체(genome), 전사체(transcriptome), 후성유전체(epigenome), 차등발현유전자(differentially expressesd gene), 히스톤(histone), 아세틸화(acetylation), 메틸화(methylation), 단백질체(proteome) 

게놈에 담긴 미래 (마이클 스나이도 지음, 이상혁 옮김, 생각의 힘, 2017)

유전체 데이터 분석 (김주한 지음, 범문에듀케이션, 2012)