환자 특이적 세포의 대사 특성을 정확하게 예측할 수 있는 ‘인체 가상세포’ 시스템이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국과학기술원(카이스트) 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 세계적 저명 학술지인 ‘미국 국립과학원 회보지(PNAS)’ 10월 24일자 온라인판에 게재됐다.

인체 가상세포는 세포 내에서 일어나는 모든 효소 반응을 컴퓨터에 재구성하고, 실제 세포처럼 반응시켜 결과를 예측하는 시스템으로, 질병의 발병원리 규명 및 항암치료 등 치료약물의 표적을 예측하기 위한 시뮬레이션에 활용된다.

기존의 인체 가상세포는 표준화되지 않은 불명확한 정보를 사용하고, 인체 유전자 특성에 대한 정보가 제대로 반영되지 않아 가상세포 시뮬레이션의 정확도가 만족스럽지 못한 편이었다.

이상엽교수 연구팀은 기존 가상세포에 반영됐던 생물학 정보를 표준화하는 등 업데이트 작업을 하고, 단백질 이소형에 대한 정보도 반영했다. 이 과정에서 겟프라 프레임워크(GeTPRA framework)라는 컴퓨터 방법론을 개발해 인체 가상세포의 완성도를 높이는 데에 활용했다.

겟프라 프레임워크를 통해 대사 유전자들로부터 생성될 수 있는 1만1,000개 이상의 단백질 이소형에 대한 대사 반응식 및 세포 내 구획을 예측했고, 이들에 대한 정보를 인체 가상세포에 자동으로 반영할 수 있도록 했다.

연구팀은 새로이 개발한 인체 가상세포 시스템과 암 환자 446명의 생물학적 데이터를 이용해 446개의 환자 맞춤형 가상세포를 구축했다. 이들 환자 맞춤형 가상세포들은 암 세포들의 대사와 항암표적을 정확하게 예측함으로써, 이번 연구에서 개발된 인체 가상세포 시스템의 기술적 우수성을 증명했다.

이번 연구로 정교한 인체 가상세포를 이용해 맞춤형 환자의 가상세포를 구축하고, 시뮬레이션하는 것이 가능해졌으며, 이는 정밀의료 산업에 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

김현욱 박사는 “이번 연구결과는 4차 산업혁명 시대의 정밀의료를 선도할 수 있는 기반 기술을 개발한 것”이라며 “환자 맞춤형 가상세포를 이용한 효과적인 약물 치료 전략을 제안할 수 있을 것” 이라고 말했다.

이 연구성과는 과기정통부의 바이오리파이너리를 위한 시스템 대사공학 연구사업의 지원을 받아 수행됐다.