시스템 생물학, 새로운 관점에서 생명을 바라보다

2002년에 카이스에 설립된 바이오시스템과가 2007년 바이오 및 뇌공학과로 바뀐 지도 벌써 10년이 넘었다. 그동안 바이오 및 뇌공학과에서 꾸준히 연구되어 왔던 시스템생물학은 우리나라 과학 연구에서 빼놓을 수 없는 분야가 되었다. 하지만 우리나라,그리고 전 세계 생물 연구의 주요 분야임에도 불구하고 KSA의 1학년 생물과목, 그리고 일반생물학까지 배우면서 우리가 시스템생물학을 접할 기회는 거의 없었다. 이러한 이유로 시스템생물학이란 무엇인지, 어떤 연구들이 이루어지는지에 대해 잘 모르고, 또 궁금해할 친구들을 위해서 새로운 관점에서 생명을 바라보는 학문, 시스템생물학에 대해 간단히 소개해보았다.


1) 시스템 생물학이란?

시스템 생물학의 목적은 생명이 가지는 조절작용의 본질을 이해함으로써 생명 현상 속에 잠재된 지배원리에 대해 보다 깊은 통찰력을 얻고 나아가 생명현상을 인위적으로 조절해보는 것에 있다. 전통적인 생물학의 연구방식인 생명의 구성요소 발견과 물리적 특징 규명은 이러한 시스템으로서의 생물을 연구하는 데에 한계가 있으며, 이를 극복하고자 수학적 모델링을 통한 정보의 재구성과 이를 토대로 이루어지는 구성요소들간의 분자 단위의 네트워크와 신호전달의 분석, 시뮬레이션을 도입한 것이 바로 시스템 생물학이다. 기존의 생물학 분류와 비교해보면 시스템생물학은 시스템의 생물학인 ‘생리학’과 생체구성요소들의 물리화학 혹은 수학인 ‘분자생물학’과 ‘생물리학’, 그 중간적인 개념이라고 볼 수 있다. 생명의 구성 요소들의 상호작용에 의한 생물학적 기능을 탐구하는 데에 초점을 두고 있으며, 그 대상은 분자 수준에서 생리현상에 이르기까지 모든 단계에서 정의할 수 있다. 학제간 융합 분야로서의 시스템생물학은 다음 그림으로 표현될 수 있다.


F분야 간 융합으로서의 시스템생물학


2) 시스템 생물학의 연구 방식

시스템 생물학의 연구 방식은 다음 도식에 잘 나타나있다. 생물학은 시스템과학의 연구 방식으로 생명 요소들의 상호작용을 연구한다는 것에 있어서 기존의 전통적인 생물학 연구 분야들과의 차별성을 가진다.


시스템생물학의 연구 수행 방식


3) 시스템 생물학의 주요 연구 분야

ISB(Institute of Systems Biology)에 의하면, 현재 연구가 활발하게 이루어지고 있는 시스템 생물학의 주요 연구 분야는 다음과 같다.


-미생물군유전체(Microbiome)

최근 100년간 인간 체내에 서식하는 인체 미생물군유전체에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 시스템생물학적 방법을 통한 인체 미생물군유전체의 연구는 복합적 요인에 의해 발생하는 질병들(복합병: 여러 유전적 요인과 환경 요인, 생활 습관 등에 의해 발생하는 질병으로 천식, 당뇨, 간질 등이 이에 속한다)의 원인 파악 및 치료 방안 개발에 중요한 역할을 한다.

-전염병(infectious diseases)

폐결핵(tuberclulosis), 말라리아, 뎅기열 바이러스 등 치료가 어려운 전염병과 관련된 주제에 대해서 시스템생물학 차원의 연구가 활발히 이루어지고 있다.

-세포 역학(cell dynamics)

세포 역학은 세포의 모델을 구성하여 생물학적 복잡성을 이해하는 것을 목표로 한다. 세포 시스템의 3차원 구조는 세포 시스템의 효율성과 밀접한 관련이 있으나 정적이지 않아 연구에 어려움이 있다. 시스템생물학에서는 세포 시스템에서 세포 기능 및 세포 기능 장애의 근간이 되는 네트워크에 대한 연구를 통해 세포 역학을 이해하고자 한다.

-암(cancers)

시스템생물학의 질병 연구는 질병이 해당 질병과 관련된 분자 수준의 네트워크에서 발생하는 하나 이상의 네트워크 기능 장애에 의해 일어난다는 관점에 기초하여 이루어진다. 질병의 진행에 따른 단백질 수준의 변화를 관찰하여 질병의 생물학적 메커니즘을 설명하는 방식으로 연구가 이루어진다.

-전산생물학(computational biology)

암과 희귀 유전병 등 다양한 시스템생물학의 연구 분야는 생명 시스템의 모델링 과정에 있어서 수학적, 전산학적 관점으로 생물 실험을 통해 얻어지는 방대한 측정 데이터를 분석하는 것과 밀접하게 연관되어 있다.

-뇌과학(brain science): 뇌와 신경계는 뉴런들과 다양한 신호전달 물질들의 상호작용으로 이루어진 극도로 복잡한 시스템이기 때문에 이를 다룰 때 시스템생물학의 연구 방식인 시스템 수준의 사고와 시스템 과학, 정보과학 등 학문 간의 접근을 활용한다. 특히 분자 수준의 신경계 질병의 연구가 활발하게 이루어진다.


시스템생물학은 기존의 전통적인 생물학과는 완전히 다른 관점에서, 수학과 정보과학 등 시스템 과학과의 융합을 통해 생명을 바라보는 학문이다. 따라서 생명과학과 수학 등 시스템 과학에 모두 흥미가 있는 친구들, 또는 기존의 생물 연구 방식에 의문을 느꼈던 친구들이라면 한번쯤 자세히 알아보고 진로를 고려해 보는 것도 좋은 경험이 될 것이다.


작성자: 김동하(17-017)

출처:

이미지, 시스템생물학 소개 :

시스템 생물학(Review of Systems Biology) – 조광현 박사(http://sbie.kaist.ac.kr/ftp/Review%20of%20Systems%20Biology[%EB%AF%B8%EC%83%9D%EB%AC%BC%ED%95%99%ED%9A%8C%EC%B4%9D%EC%84%A4%202006-1].pdf)

시스템생물학 연구 분야:

Institute of Systems Biology (https://systemsbiology.org/research/)

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