생물학적 시계는 따뜻한 환경에서 유전자의 기능을 변화시켜 24시간 주기를 유지합니다.

일본의 RIKEN 학제 이론 및 수학 과학 센터(iTHEMS)의 쿠로사와 겐이 이끄는 연구진은 이론 물리학을 사용하여 생물학적 시계가 온도가 변하더라도 어떻게 24시간 주기를 안정적으로 유지하는지 발견했습니다.

연구진은 이러한 안정성이 고온에서 유전자 활동 리듬의 "형태"가 미세하게 변화하는 과정, 즉 파형 왜곡(waveform distortion)에 의해 달성된다는 것을 발견했습니다. 이 과정은 정확한 시간을 유지하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 우리 몸의 생체 시계가 낮과 밤의 주기와 얼마나 잘 동기화되는지에도 영향을 미칩니다. 이 연구는 PLOS Computational Biology 저널에 게재되었습니다.

몸이 언제 자고 깨야 할지 어떻게 아는지 궁금해해 본 적 있나요? 답은 간단합니다. 우리 몸에는 약 24시간 주기로 작동하는 생체 시계가 있기 때문입니다. 하지만 대부분의 화학 반응은 기온이 상승함에 따라 가속화되기 때문에, 일 년 내내, 심지어 여름철 더위와 에어컨이 있는 실내의 시원한 온도 사이를 오갈 때에도 우리 몸이 어떻게 온도 변화에 적응하는지에 대한 의문이 제기되어 왔습니다.

생체 시계는 특정 유전자가 리듬에 맞춰 켜지고 꺼질 때 발생하는 단백질 생성을 암호화하는 분자인 mRNA 수치의 주기적인 변동을 통해 작동합니다. 진자의 움직임을 부드럽게 상승하고 하강하는 수학적 사인파로 표현할 수 있듯이, mRNA 생성과 소멸의 리듬은 진동파로 표현할 수 있습니다.

RIKEN iTHEMS의 쿠로사와 연구팀은 교토대학교 YITP 연구진과 함께 이론 물리학의 방법을 적용하여 mRNA의 이러한 리듬 진동을 설명하는 수학적 모델을 분석했습니다. 특히, mRNA 리듬 시스템에서 핵심적이고 느리게 변화하는 동적 과정을 추출할 수 있는 강력한 물리학 도구인 재정규화군법을 사용했습니다.

분석 결과, 온도가 증가함에 따라 mRNA 수치는 더 빨리 상승하고 더 느리게 감소했지만, 한 주기의 지속 시간은 일정하게 유지되는 것으로 나타났습니다. 그래프에서 고온에서의 이러한 리듬은 왜곡되고 비대칭적인 파동처럼 보였습니다.

연구진은 이론적 결론을 살아있는 유기체에서 검증하기 위해 초파리와 생쥐에 대한 실험 데이터를 분석했습니다. 실제로 고온에서 이 동물들은 예측된 파형 왜곡을 보였으며, 이는 이론적 모델의 정확성을 확인시켜 주었습니다.

과학자들은 파형 왜곡이 생물학적 시계의 온도 보상에 중요하며, 특히 각 주기마다 mRNA 수치의 감소를 늦추는 데 중요하다고 결론지었습니다.

연구팀은 또한 파형 왜곡이 생체 시계가 빛과 어둠과 같은 외부 신호에 맞춰 동기화되는 능력에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 분석 결과, 파형 왜곡이 클수록 생체 시계는 더 안정적이고 외부 신호의 영향을 덜 받는 것으로 나타났습니다.

이러한 이론적 결론은 파리와 균류에서 이루어진 실험적 관찰 결과와 일치하며, 불규칙한 빛과 어둠의 주기가 대부분의 사람들의 현대 생활에 들어왔기 때문에 중요합니다.

쿠로사와는 "우리의 연구 결과는 파형 왜곡이 온도가 변하더라도 생물학적 시계가 정확하고 동기화되는 데 중요한 요소라는 것을 보여줍니다."라고 말했습니다.

그는 향후 연구가 mRNA 수치 감소를 늦추고 파형 왜곡을 유발하는 분자 메커니즘을 규명하는 데 집중될 수 있다고 덧붙였습니다. 연구진은 또한 연령과 개인차가 생체 시계의 기능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이러한 왜곡이 종 또는 개인 간에 어떻게 달라지는지 연구하고자 합니다.

쿠로사와는 "장기적으로 시계 유전자의 파형 왜곡 정도는 수면 장애, 시차, 그리고 노화가 체내 시계에 미치는 영향을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다"고 지적합니다. 또한 "생물학뿐 아니라 반복되는 주기를 가진 모든 시스템에서 보편적인 리듬 패턴을 밝혀낼 수도 있다"고 덧붙입니다.