Benchmarking the flow of epithelial cell monolayer with self-aligning deformable active membranes

벽돌과 모르타르가 아닌, 말랑말랑하고 살아있는 젤리로 건물이 지어진 북적이는 도시를 상상해 보세요. 이 도시에서는 모든 건물이 살아있어서 꿈틀거리고, 늘어나고, 심지어 스스로 앞으로 나아갈 수도 있습니다. 이것이 바로 모든 살아있는 몸 안에서 일어나는 현상인 **집단 세포 이동(collective cell migration)**의 세계입니다. 피부의 상처가 치유되든, 자궁 속에서 아기가 성장하든, 혹은 종양이 퍼지든, 세포들은 그저 가만히 앉아 있는 것이 아니라 함께 조화로운 춤을 추며 움직입니다. 과학자들은 세포가 마치 에너지를 태워 움직이는 작은 엔진과 같기 때문에 이를 "활성 물질(active matter)"이라고 부릅니다.

하지만 까다로운 점이 있습니다. 세포는 딱딱한 블록이 아닙니다. 세포는 부드럽고 말랑하며 끊임없이 형태를 바꿉니다. 세포들은 이웃 세포에게 달라붙기도 하고, 서로 밀치기도 하며, 좁은 틈 사이를 비집고 들어갑니다. 과학자들은 이 과정을 이해하기 위해 컴퓨터 모델을 만듭니다. 이 모델들을 물리 법칙의 규칙을 조절하여 어떤 일이 일어나는지 관찰할 수 있는 비디오 게임이라고 생각하면 됩니다. 어떤 게임은 세포를 딱딱한 구슬처럼 다루는 반면, 어떤 게임은 부드러운 풍선처럼 다룹니다. 큰 질문은 이것입니다: 어떤 게임 규칙이 실제 삶의 무질서하고 말랑한 현실을 가장 잘 모사하는가? 우리가 규칙을 제대로 파악한다면, 조직이 어떻게 행동하는지 예측할 수 있으며, 이는 질병을 이해하고 우리 몸이 스스로를 어떻게 회복하는지 이해하는 데 매우 중요합니다.

이제 마르코스 파사(Marcos Pasa)와 그의 팀이 수행한 새로운 연구를 살펴보겠습니다. 그들은 **변형 가능한 활성 막 모델(Deformable Active Membrane Model, DAMM)**이라는 특정 게임 규칙을 테스트하기로 했습니다. 세포를 단단한 공이 아니라, 공기가 채워진 신축성 있는 고무 밴드라고 상상해 보세요. 이 고무 밴드는 스프링으로 연결된 작은 구슬들로 이루어져 있습니다. 이 전체 구조물은 꿈틀거리고, 늘어나고, 쥐어짜질 수 있습니다. 이 모델을 특별하게 만드는 것은 "자기 정렬(self-alignment)"이라는 규칙입니다. 많은 게임에서 세포들은 이동하기 전에 이웃을 보고 "너는 어느 방향으로 가고 있니?"라고 물어야 합니다. 하지만 이 모델에서 세포는 자신이 이미 움직이고 있는 방향을 보고 "좋아, 나는 계속 이 길로 갈 거야"라고 말합니다. 이는 마치 지도를 확인하는 대신, 자신이 이미 타고 있는 파도를 따라가는 서퍼와 같습니다.

연구진은 이 말랑말랑하고 스스로 길을 찾는 세포들을 거대한 원형 장애물이 중앙에 놓인 가상 통로(마치 강물 속의 바위 같은 것) 안에 넣었습니다. 그들은 세포의 "강물"이 바위를 어떻게 돌아 흐르는지 알고 싶어 했습니다. 그들은 세 가지 주요 조절 장치를 조작했습니다: 세포가 자신의 움직임에 정렬되는 속도, 세포 간의 끈적임(점착성), 그리고 처음부터 가해지는 압력입니다.

그들의 시뮬레이션 결과는 다음과 같습니다. 첫째, "자기 정렬" 규칙은 놀라울 정도로 잘 작동했습니다. 세포들이 자신의 운동량을 그대로 따르도록 허용했을 때, 세포들은 마치 잘 훈련된 행진 대열처럼 매우 조직적이고 고체 같은 흐름을 형성했습니다. 이는 세포들이 끊임없이 이웃을 확인해야 하는 다른 모델들보다 훨씬 더 질서 정연했습니다. 둘째, 그들은 세포의 말랑함이 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 그들이 세포를 더 유연하게 만들었을 때(딱딱한 고무줄을 신축성 있는 구미 워머로 바꾸듯), 전체 조직은 더 빠르게 움직였습니다. 유연한 세포들은 서로를 더 쉽게 늘리고 비집고 지나갈 수 있었기에, "강물"이 장애물을 돌아 흐를 때 교통 체증이 덜 발생했습니다.

마지막으로, 팀은 자신들의 가상 세계가 실제 세계와 일치하는지 알고 싶었습니다. 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 실험실 접시 안에서 장애물 주변을 움직이는 실제 개 신장 세포(MDCK 세포)의 실험과 비교했습니다. 결과는 아주 잘 맞았습니다! 컴퓨터 속 세포들의 속도와 방향은 접시 안의 실제 세포들과 매우 유사했습니다. 가상의 세포들은 실제 세포들처럼 장애물을 돌아 흘렀으며, 속도와 밀도 면에서 유사한 패턴을 만들어냈습니다.

하지만 이 논문은 모델이 완벽하지 않은 부분도 지적합니다. 실제 실험에서는 세포들이 가끔 불균형하게 움직였는데, 즉 바위의 한쪽 면으로 더 많은 세포가 빠르게 지나가는 현상이 나타났습니다. 컴퓨터 모델은 주로 대칭적인 흐름을 보여주었지만, 특정 조건 하에서는 불균형을 만들어낼 수도 있었습니다. 저자들은 이것이 실제 실험이 완벽한 정상 상태(steady state)에 도달할 만큼 충분히 오래 진행되지 않았거나, 혹은 실제 세포들이 세포 분열이나 바닥으로부터의 마찰력처럼 컴퓨터 모델에는 아직 없는 추가적인 생물학적 기술을 가지고 있기 때문일 수 있다고 제안합니다.

요약하자면, 이 논문은 세포를 말랑말랑하고 스스로 길을 찾는 막(membrane)으로 취급하는 것이 조직의 움직임을 시뮬레이션하는 강력한 방법임을 보여줍니다. 이는 세포가 늘어나고 형태를 바꾸는 능력이 조직이 더 빠르고 효율적으로 흐르게 돕는 비밀 병기라는 점을 시사합니다. 비록 이 모델이 아직 현실의 완벽한 복제본은 아닐지라도, 생명의 가장 북적이는 춤을 이해하기 위한 매우 강력한 진전입니다.