[칼럼] 가상세포(Virtual Cell)

선생님이 들려주는 과학 이야기

최종석 청주 각리중학교 교감

맑은 웃음으로 학교에 와서 즐겁게 학습하고 귀가하는 학생들의 뇌 속에는 스스로 만든 다양한 변화를 형성하였다. 교사, 부모, 학생들의 유기적인 영향은 학생들의 자아실현에 많이 공헌한다. 그러나 직접적으로 연구하는 것은 불가능하다. 가상세포가 필요하다.

세포 내의 분자 상호작용, 유전자 발현, 대사 경로 등을 수학적 모델로 계산하여 세포의 반응을 예측하는 시스템이 필요하다. 가상세포는 세포 내부에서 일어나는 복잡한 생화학적 반응과 물리적 현상을 컴퓨터 프로그래밍을 통해 디지털 공간에서 구현할 수 있다. 가상세포는 생명공학(BT)과 정보기술(IT)이 결합한 시스템 생물학의 정수이다.

가상세포는 세포 내 수천 가지 단백질과 화합물의 농도 변화를 미분방정식으로 계산하고 분자 단위의 결합부터 소기관의 움직임, 세포 전체의 분열까지 다양한 층위에서 시뮬레이션한다.

가상세포를 이용하면 특정 약물을 투여했을 때나 특정 유전자를 편집했을 때 세포가 어떻게 변할지 미리 실험해 볼 수 있다.

가상원자력발전소는 반드시 거치는 과정이다. 매우 많은 경비와 위험을 줄일 수 있다. 원자력발전소 부품의 상태를 AI가 분석하여 정비 시점을 예측하여 가동 중단과 사고를 예방하며, 실험할 수 없는 극한의 상황을 가상공간에서 재현하여 안전 시스템의 대응 능력을 검증하며, 교육 및 훈련에 사용할 수 있다.

미국의 대기업이 우리나라에 신약을 위한 AI 캠퍼스를 세운다고 한다. 신약을 만드는 과정에 필요한 것이 가상세포이다. 수만 개의 후보 물질을 가상세포에 먼저 테스트하여 독성을 예측하고 임상 성공률을 높인다. 암세포나 노화된 세포의 모델을 만들어 질병이 발생하는 근본적인 과정을 추적한다, 환자 개인의 유전정보를 입력한 가상세포를 통해 가장 효과적인 치료법을 찾을 수 있다. 바이오 유용 물질을 대량 생산하기 위하여 최적의 인공 세포를 설계할 수 있다.

가상세포는 윤리적 문제를 일으키는 실험동물 대체 및 보완을 할 수 있으며 실체 실험실(Wet-lab)에서 몇 달이 걸릴 실험을 컴퓨터(Dry-lab)에서 단 몇 분 만에 수행할 수 있다. 또 인체 전체를 모사하는 디지털 사람으로 가는 첫 번째 단계가 세포 단위의 디지털화인 가상세포이다.

대표적인 프로젝트로는 미국 코네티컷 대학에서 개발한 오픈 소스 소프트웨어 VCell (Virtual Cell)와 스탠퍼드 대학 연구팀이 세계 최초로 마이코플라스마 제니탈리움이라는 미생물의 모든 유전자 기능을 통합적으로 구현한 사례한 WholeCell Project가 있다. 우리나라도 카이스트와 여러 기업이 가상세포를 활용하고 있다.

우리학교 주변에는 생명공학에 대한 유명한 회사가 많다. 한국생명공학연구소가 위치하고 있다. 활기차게 활동하는 학생 중에 몇몇은 미래에 이 분야에 열심히 노력하고 있지 않을까?

최종석 청주 각리중학교 교감