Many-body interactions between contracting living cells

박동하는 심장에서부터 치유되는 피부에 이르기까지, 모든 살아있는 조직 내부에서는 개별 세포들이 끊임없이 서로를 밀고 당깁니다. 세포들은 진공 상태에 존재하는 것이 아니라, 세포 외 기질(extracellular matrix)이라 불리는 부드럽고 젤리 같은 구조물 속에 박혀 있습니다. 이 환경은 단순히 수동적인 채움재가 아니라, 힘을 전달하는 기계적 매질입니다. 세포가 수축할 때, 세포는 주변 물질을 쥐어짜며 외부로 퍼져나가는 변형의 물결을 만들어냅니다. 근처의 다른 세포들은 마치 트램펄린 위에 서 있는 사람이 옆에서 다른 사람이 뛰는 움직임을 느끼는 것처럼, 이 쥐어짜는 힘을 느낄 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 세포가 이러한 기계적 신호를 감지하고 그에 반응하여 자신의 행동을 조절할 수 있다는 사실을 이해해 왔으며, 이 과정을 기계적 자극 수용(mechanotransduction)이라고 합니다. 그러나 핵심적인 질문은, 여러 세포가 동시에 관여할 때 이 감지가 어떻게 작동하느냐 하는 것이었습니다. 집합적인 힘이 느껴지는 총량이 단순히 저울 위에 무게를 쌓는 것처럼 개별 쌍 사이의 상호작용을 더한 것과 같을까요, 아니면 여러 이웃의 존재가 단일 세포 쌍만을 관찰해서는 예측할 수 없는 더 복잡한 집단적 행동을 만들어낼까요?

연구팀은 살아있는 세포 그룹을 무한히 넓고 선형 탄성적인 물질에 박혀 있는 완벽한 구체로 모델링함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 그들은 이 세포들을 정적인 물체가 아니라 스스로 내부 힘을 생성하는 능동적인 대리인으로 가정했습니다. 가장 단순한 모델에서, 그들은 주변 환경에 관계없이 일정하고 변하지 않는 힘을 가하는 '죽은' 세포들을 고려했습니다. 이 시나리오에서 세포 간의 상호작용은 단순하고 예측 가능합니다. 즉, 시스템의 총 에너지는 모든 가능한 이웃 쌍 사이의 상호작용을 단순히 합산한 것과 같습니다. 하지만 연구진이 더 관심을 가진 것은 '살아있는' 세포였습니다. 이들은 표면에 작용하는 힘과 변형을 측정하고, 특정 형태나 위치를 유지하기 위해 자신의 내부 기계 장치를 능동적으로 조절할 수 있는 세포들입니다. 마치 사람이 움직이는 배 위에서 균형을 잡기 위해 몸무게를 옮기는 것처럼, 이 세포들은 주변의 혼란에도 불구하고 완벽한 구형을 유지하기 위해 자신의 수축력을 미세하게 조정합니다.

이러한 능동적이고 형태를 조절하는 세포들이 세 개 이상 모였을 때 어떤 일이 일어나는지 이해하기 위해, 연구진은 상세한 이론적 계산을 수행했습니다. 그들은 일직선상에 배열된 세 개와 네 개의 세포 그룹, 그리고 끝없이 이어진 세포 열에 대한 힘과 변위(displacement)를 지도화했습니다. 또한, 이 모든 세포가 동시에 상호작용할 때 저장되는 실제 에너지와, 모든 세포 쌍 사이의 상호작용을 단순히 더하여 계산한 가상의 시나리오를 비교했습니다. 만약 단순한 덧셈의 법칙이 적용된다면, 복잡한 집단 행동은 그저 부분들의 합에 불 불과할 것입니다. 그러나 결과는 놀라운 진실을 드러냈습니다. 전체는 부분의 합과 같지 않았습니다.

연구는 세포가 행동을 조절하는 방식이 집단적 상호작용의 본질을 근본적으로 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 세포가 형태를 유지하면서 공간상의 위치를 고정하도록 프로그래밍된 경우, 집단의 총 에너지는 쌍 단위의 상호작용을 모두 더했을 때 예측되는 값보다 실제로 더 낮았습니다. 이 경우, 세 번째 또는 네 번째 이웃의 존재는 집단이 필요로 하는 총 기계적 노력을 오히려 감소시킵니다. 반대로, 세포가 형태를 유지하기 위해 위치를 이동할 수 있도록 허용된 경우에는 집단의 총 에너지가 쌍 단위 예측값보다 더 높았습니다. 이는 움직이는 세포들의 경우, 집단적 상호작용이 쌍만을 관찰해서는 설명할 수 없는 추가적인 기계적 부담을 생성한다는 것을 의미합니다. 연구진은 이러한 단순 덧셈으로부터의 편차가 사소한 세부 사항이 아니라, 세포의 능동적 조절에 의해 발생하는 유의미한 효과임을 보여주었습니다.

연구팀은 또한 세포 사이의 거리가 특정한 방식으로 중요하다는 사실도 발견했습니다. 위치를 고수하는 세포의 경우, 상호작용 에너지는 거리의 4제곱에 비례하여 매우 빠르게 급감합니다. 반면, 자유롭게 움직이는 세포의 경우, 에너지는 거리의 6제곱 관계를 따르며 훨씬 더 빠르게 감소합니다. 이러한 급격한 쇠퇴는 이러한 복잡한 다중 세포 상호작용이 세포들이 밀집해 있을 때 가장 유의미하다는 것을 의미하며, 이는 바로 조밀한 생물학적 조직에서 발견되는 조건입니다. 연구진은 이러한 발견이 세 개의 세포로 이루어진 작은 그룹을 보든, 무한한 세포 열을 시뮬레이션하든 동일하게 적용됨을 확인하였으며, 이를 통해 이 효과가 특정 배치에 의한 우연이 아니라 능동적 물질(active matter)의 근본적인 특성임을 입증했습니다.

궁극적으로 이 연구는 살아있는 조직의 역학을 세포를 고립시키거나 쌍 단위로 연구하는 것만으로는 완전히 이해할 수 없음을 보여줍니다. 세포의 능동적이고 조절적인 특성은 개별 세포의 조절을 통해 집단의 행동이 발현되는 비선형적인 복잡성을 도입합니다. 주변 물질은 단순하고 선형적으로 행동할지라도, 세포가 이웃을 감지하고 반응하는 능력은 정교한 다체 상호작용(many-body interaction)을 만들어냅니다. 이 연구는 조직이 어떻게 형성되고, 치유되며, 기능하는지를 진정으로 이해하기 위해서는 세 번째 세포의 존재가 첫 번째와 두 번째 세포의 관계 규칙을 바꾸는 고차원적 상호작용을 반드시 고려해야 함을 시사합니다. 이 연구는 이러한 상호작용에 대한 명확한 수학적 틀을 제공하며, 살아있는 세계가 단순한 덧셈을 훨씬 뛰어넘는 집단적 조절의 원리에 따라 작동하고 있음을 보여줍니다.