Adhesion and polarity-driven morphogenesis: Mechanismsand constraints in tissue formation

작은 자율 주행 로봇(세포)들이 함께 구조물을 만들려고 노력하는 집단을 상상해 보세요. 자연계에서 이 로봇들은 서로에게 어떻게 달라붙을지, 그리고 이웃을 어떻게 "느낄지"에 기반한 두 가지 단순한 국소적 규칙만을 따를 뿐, 정해진 설계도나 어디에 서 있어야 할지 알려주는 현장 소장은 없습니다.

이 논문은 그 과정을 시뮬레이션한 것과 같습니다. 연구진은 세포 로봇들이 어떻게 상호작용하는지 관찰하기 위해 디지털 놀이터를 구축했습니다. 그들은 단 두 가지의 단순한 설정만으로도, 로봇들이 실제 생물학적 조직(속이 빈 공, 단단한 덩어리, 또는 층을 이룬 구체 등)과 매우 흡사한 다섯 가지의 복잡한 형태를 자발적으로 형성할 수 있다는 것을 발견했습니다.

두 가지 주요 "규칙"이 어떻게 작동하는지 일상적인 비유를 통해 설명하면 다음과 같습니다.

1. "접착 강도" (극성 의존적 부착)
극성을 세포의 "앞"과 "뒤"를 구분하는 감각이라고 생각해 보세요. 이 모델에서 세포들은 한 세포의 "앞"이 다른 세포의 "뒤"와 맞닿을 때만 달라붙는 특수한 종류의 벨크로(찍찍이)를 가지고 있습니다.

• 비유: 자석 조끼를 입은 사람들이 모여 있는 군중을 상상해 보세요. 만약 자석이 약하다면 사람들은 그냥 흩어지거나 느슨하고 무질서한 더미를 형성할 수 있습니다. 만약 자석이 강하다면 사람들은 서로 단단히 결합하게 됩니다. 연구진은 이 "끈적임"의 정도를 조절함으로써 집단이 평평한 시트, 단단한 공, 또는 속이 빈 구체를 형성하는 방식이 달라진다는 것을 발견했습니다.

2. "반응 시간" (기계적 조절)
이것이 두 번째 규칙입니다: 세포가 이웃과 부딪힌 후 자신의 행동을 얼마나 빨리 바꾸느냐 하는 것입니다.

• 비유: 붐비는 방 안을 걸어가고 있다고 상상해 보세요. 만약 당신이 반응하는 속도가 매우 느리다면(누군가와 부딪힌 후에도 계속 앞으로 나아간다면), 당신은 길을 밀고 나가 터널을 만들 수도 있습니다. 만약 즉각적으로 반응한다면(접촉하자마자 멈추거나 방향을 튼다면), 당신은 다른 사람들 주변을 곡선으로 돌며 고리를 형성할 수도 있습니다. 논문은 물리적 접촉에 따라 세포가 "접착력"을 조절하는 속도가 최종 형태를 결정한다는 것을 보여줍니다.

위대한 발견
이 연구의 가장 놀라운 점은 복잡한 형태를 얻기 위해 복잡한 지침서가 필요하지 않다는 것입니다. 단순히 "세포가 얼마나 끈적이는지"에 대한 다이얼과 "접촉에 얼마나 빠르게 반응하는지"에 대한 다이얼을 조절하는 것만으로도, 시뮬레이션은 자연스럽게 다음의 형태들을 만들어냅니다:

• 단층 구체: 속이 빈 공(비눗방울 같은 형태)을 형성하는 단일 세포 층.
• 다층 구체: 두꺼운 다층 벽을 가진 속이 빈 공.
• 세포 덩어리: 속이 꽉 찬 단단한 덩어리.
• 두 가지 구멍 형성 방식: 논문은 구멍(빈 공간)이 두 가지 뚜렷한 방식으로 형성될 수 있다고 언급합니다. 세포가 빈 공간을 둘러싸는 방식(담요가 공 위를 덮는 것처럼)이거나, 세포가 중심부에서 바깥쪽으로 밀어내어 공동을 팽창시키는 방식(풍선을 안에서 불어 부풀리는 것처럼)입니다.

이것이 중요한 이유
연구진은 이러한 다양한 형태들이 무작위적인 사고가 아니라, 물이 온도에 따라 얼음이나 수증기로 변하는 것과 유사한 특정 "상전이(phase transitions)"의 결과라는 것을 발견했습니다. 이 두 가지 단순한 물리적 조절 장치인 "끈적임"과 "반응 속도"를 이해함으로써, 우리는 자연이 어떻게 기초부터 다양한 신체 부위를 만들어내는지 설명할 수 있습니다.

이 논문은 우리가 미래에 인공 조직이나 "오가노이드"(실험실에서 배양된 미니 장기)를 만들고자 한다면, 모든 세포를 일일이 프로그래밍할 필요가 없을 수도 있다고 시사합니다. 대신, 이 두 가지 물리적 규칙을 제대로 설정하기만 하면 세포들이 스스로 적절한 형태를 갖추도록 유도할 수 있습니다.