Interface dynamics in tissue invasion

활기찬 도시에서 두 개의 서로 다른 동네가 서로를 향해 끊임없이 확장하며 공유된 경계선에서 맞부딪히고 있다고 상상해 보십시오. 한 동네가 더 빠르게 성장하거나, 그 주민들이 더 활기차서 경계선이 이동할 수도 있습니다. 미생물 세계의 생물학에서도 이 "동네"들은 살아있는 세포들로 이루어진 조직이며, 이 "경계"는 그들이 만나는 접점입니다. 과학자들은 오랫동안 이 경계가 어떻게 움직이는지, 그리고 그 경계가 매끄럽게 유지되는지 아니면 흔들리고 부서지기 시작하는지에 대해 매료되어 왔습니다. 이는 조직 간의 경쟁 방식이 태아가 자궁 속에서 어떻게 발달하는지부터 상처가 어떻게 치유되는지, 혹은 종양이 건강한 신체 부위를 어떻게 침범하는지에 이르기까지 모든 것을 결정하기 때문에 매우 중요합니다. 이를 이해하기 위해 연구자들은 세포 무리를 개별적인 사람들이 아니라 물이나 꿀처럼 흐르는 유체로 취급하는 유체역학이라는 물리학의 한 분야를 사용합니다. 또한 그들은 "항상성 압력(homeostatic pressure)"을 살펴보는데, 이는 세포가 태어나고 죽는 것 사이에서 행복하고 균형 잡힌 상태일 때 조직이 느끼는 내부 압력을 의미합니다. 만약 한 조직이 이웃 조직에 비해 너무 많은 압력을 느낀다면, 그 조직은 앞으로 밀고 나갈 것입니다.

이번 새로운 연구에서 저자들은 이러한 살아있는 경계의 수학적 원리를 깊이 파고들어 무엇이 경계를 안정적으로 유지시키는지, 혹은 무엇이 그것을 혼돈 상태로 만드는지를 밝혀냈습니다. 그들은 두 조직이 단순히 한쪽의 내부 압력이 더 높아서 서로를 밀어낼 때, 경계가 차분하고 탄성 있는 시트처럼 작동한다는 것을 발견했습니다. 설령 누군가 그것을 툭 건드리더라도, 세포가 흐르고 분열하는 방식에서 자연스럽게 발생하는 보이지 않는 "표면 장력" 덕분에 다시 평평하게 되돌아옵니다. 그러나 세포들이 내부의 모터(세포 안의 작은 엔진 같은 것)에 의해 능동적으로 밀려나고 있다면 이야기는 완전히 달라집니다. 이 경우, 경계는 마치 너무 세게 흔들린 기름과 물이 섞일 때처럼 불안정해지며 격렬하게 물결칠 수 있는데, 이는 조직이 충분히 "묽을"(낮은 점성) 때와 밀어내는 힘이 충분히 강할 때만 발생합니다. 연구자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 정확히 언제 이런 현상이 발생하는지 지도로 그려냈으며, 이를 통해 살아있는 경계를 다스리는 규칙이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하고 흥미롭다는 것을 보여주었습니다.

살아있는 경계의 이야기

콘서트장에서 빨간 셔츠를 입은 사람들의 무리와 파란 셔츠를 입은 사람들의 무리가 있다고 생각해 보십시오. 그들은 빽빽하게 모여 있으며, 빨간색과 파란색이 만나는 선이 바로 "인터페이스(접점)"입니다. 현실 세계에서 이들은 단순한 사람들이 아니라 끊임없이 태어나고 죽는 살아있는 세포들입니다. 이 논문의 과학자들은 알고 싶었습니다. "그 선에 어떤 일이 일어날까? 그 선은 곧게 유지될까, 아니면 물결치고 엉망이 될까?"

이에 답하기 위해 그들은 조직을 걸쭉하고 끈적한 유체처럼 취급했습니다. 그들은 만약 빨간색 무리가 파란색 무리보다 자연스럽게 더 "행복하다면"(더 높은 항상성 압력을 가진다면), 둘 사이의 선이 매끄럽게 앞으로 이동한다는 것을 발견했습니다. 하지만 여기서 놀라운 점은, 만약 선을 툭 건드린다 해도 그 선이 툭 튀어나온 상태로 머물러 있지 않는다는 것입니다. 그것은 마치 늘어난 고무줄이나 비눗방울 표면처럼 행동합니다. 이 논문은 "표면 장력"이라 불리는 이 "고무줄" 효과가 모델에 인위적으로 붙여넣어야 하는 것이 아니라, 세포들이 움직이고 분열하는 과정에서 자연스럽게 나타나는 현상임을 보여줍니다. 이것은 "발현적(emergent)" 특성인데, 즉 개별 세포는 스프링이 아님에도 불구하고 전체 무리가 마치 탄성 있는 시트처럼 행동한다는 것을 의미합니다. 이 덕분에 경계는 큰 파동에도 매우 안정적으로 유지되며, 조직들을 깔끔하게 분리해 줍니다.

세포가 추진력을 얻을 때

하지만 세포들이 그저 가만히 있는 것이 아니라, 만약 세포 안에 앞으로 밀어내는 작은 모터들이 있다면 어떻게 될까요? 이 논문은 빨간색 세포들이 파란색 세포들보다 더 강한 "발차기(kick)"를 받고 있는 시나리오를 탐구합니다. 이것은 게임의 판도를 완전히 바꿉니다. 매끄럽고 고무 같은 전선 대신, 경계는 너무 빠르게 흐르는 강의 물결처럼 행동하기 시작합니다.

연구자들은 이러한 능동적인 힘이 너무 강해지고 조직이 충분히 두껍거나 끈적이지 않을 때(낮은 점성), 표면 장력이 상황을 하나로 묶어두기에 충분하지 않다는 것을 발견했습니다. 이때 인터페이스는 불안정해집니다. 무겁고 젖은 담요를 바닥에 밀고 가는 상황을 상상해 보십시오. 만약 너무 세게 밀고 바닥이 너무 미끄럽다면, 담요는 통제할 통제 불능으로 뭉치고 물결칠 것입니다. 시뮬레이션에서 과학자들은 특정 조합의 "밀어내는 힘"과 "끈적임" 하에서 인터페이스가 실제로 흔들리고 무너지기 시작하는 것을 목격했습니다. 그들은 조직을 위한 기상 지도와 같은 "상태도(phase diagram)"를 그려내어, 경계가 평온하게 유지되는 곳과 혼돈의 엉망진창이 되는 곳을 정확히 보여주었습니다.

이것이 중요한 이유

이 논문은 단순히 "안정적이다" 또는 "불안정하다"라고 말하는 데 그치지 않습니다. 언제 전환이 일어나는지를 예측하는 상세한 수학적 레시피를 제공합니다. 그들은 첫 번째 시나리오(압력 차이)에서 경계는 항상 안전하고 안정적이며 잘 조절되는 파동처럼 작동한다는 것을 보여주었습니다. 하지만 두 번째 시나리오(능동적 힘)에서는 추진력이 충분히 높고 조직이 너무 유동적이라면 경계가 거친 불안정 파동이 될 수 있습니다.

이는 우리가 조직이 어떻게 성장하고 공간을 차지하기 위해 싸우는지에 대한 규칙을 이해하는 데 큰 도움이 됩니다. 이는 우리 몸의 안정성이 단순히 세포가 얼마나 세게 미느냐에 달려 있는 것이 아니라, 조직이 얼마나 "두꺼운지" 혹은 "묽은지", 그리고 세포들이 내부적인 힘에 의해 능동적으로 구동되고 있는지에 달려 있음을 시사합니다. 저자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 점들을 증명했으며, 수학적 모델이 가상 조직의 행동과 완벽하게 일치함을 보여주었습니다. 또한 그들은 모델에 수동으로 "표면 장력"을 추가해야 한다는 이전의 일부 아이디어들이 불필요했음을 명확히 했습니다. 즉, 세포의 물리 법칙 자체가—능동적인 힘이 너무 소란스러워지지 않는 한—그 안정성을 자동으로 만들어낸다는 것입니다.

요컨대, 이 논문은 살아있는 조직이 경계를 매끄럽게 유지하는 내장된 능력을 갖추고 있지만, 내부 엔진을 너무 높게 올리면 그 매끄러움이 산산조각 날 수 있으며, 이는 암과 같은 질병에서 보이는 종류의 혼돈스러운 침입으로 이어질 수 있다는 것을 알려줍니다. 이는 미시 세계에서 밀고, 당기고, 끈적임 사이의 균형이 전부라는 사실을 상기시켜 줍니다.