조광현(KAIST 바이오및뇌공학과 교수)

KAIST 전기및전자공학과를 졸업하고 동 대학원에서 석사와 박사 학위를 받았다. 영국 맨체스

터 대학교, 옥스퍼드 대학교, 글래스고 대학교의 초빙교수, 아일랜드 해밀턴 연구소의 초빙석

학, 스웨덴 왕립대학의 초빙교수를 지냈으며, 서울대학교 의과대학 의학과의 교수를 거쳐 현재

KAIST 바이오및뇌공학과 교수로 재직 중이다. 국제 인간 프런티어 과학 프로그램(HFSP)의 시

스템생물학 전문 위원, 국제전기전자기술자협회(IEEE)의 수석회원이며, 국제저널인 『IET 시스템

즈바이올로지』와 뉴욕 스프링거 출판사의 『시스템생물학 백과사전』 편집위원장을 맡고 있다.

3장 시스템생물학 ● 133

생명체의 복잡계 네트워크

우리는 과연 ‘우연’한 진화의 산물일까? 우리 몸을 구성하는 세포 내의

수없이 많고 복잡하게 얽혀 있는 분자들의 정교한 구성과 동작 원리를 이

해하고 나면, 이러한 생체의 구성이 억만 년 시간 끝에 얻어진 우연한 진화

의 결과물이라고 믿기 어려워질 것이다. 그렇다면 과연 무작위적 발생과

적자생존의 선택에 따른 진화 이외에 어떤 또 다른 원인(driving force)이 현재

우리 몸의 세포를, 그리고 우리의 몸을 존재하게 만든 것일까?

1929년 월터 캐논이 유기체를 하나의 동역학 시스템으로 간주하기 시작

한 이래로 카우프만의 예지 넘치는 진화적 논제를 거쳐 인간게놈프로젝트

를 통해 인간의 유전자 서열 정보가 밝혀지자 이제는 급기야 ‘가상 세포’,

3장 시스템생물학

134 ● 3부 BT융합

더 나아가 ‘가상 인간’을 구현하려는 시도가 이루어지고 있다. 과연 가능한

것일까?

우리 몸은 약 60조 개의 세포로 구성되어 있으며, 각각의 세포는 또다

시 수많은 단백질과 유전자들로 이루어져 있다. 더욱이 이러한 각각의 세

포와 분자들은 서로 독립적으로 존재하는 것이 아니라 끊임없이 생성과

소멸을 반복하며 이웃한 세포, 분자들과의 긴밀한 상호 작용을 통해 거

대한 ‘네트워크’를 형성함으로써 정교한 생명현상을 유지하고 있다. 우리

가 음식을 섭취하거나 운동을 하는 등 일상적인 생활을 유지하는 이면에

는 이렇듯 복잡하고 거대한 생체분자들의 네트워크가 동작하고 있다. [그

림 1]에서 보듯이 우리 몸에 내외부로부터의 자극(이를테면 약물, 자외선 또는

유전자 돌연변이 등)이 주어지면, 이러한 생체분자 네트워크에 일종의 섭동

(perturbation)이 주어진 효과로 이어지며, 이 경우 서로 연결된 분자, 세포들

이 상호 작용하는 네트워크의 회로에 의해 섭동의 효과에 대처함으로써

몸의 항상성(homeostasis)을 유지해 나가게 된다.

유전자 녹아웃

단백질 변형

환경 변화

[그림 1] 내외부 섭동에 대한 생체분자 네트워크의 반응

3장 시스템생물학 ● 135

여기에서 두 가지 특징에 주목할 필요가 있다. 첫 번째는 앞의 예와 같이

생명현상이 독립된 요소들의 집합체가 아닌 긴밀히 상호 작용하는 ‘복잡

한 네트워크’에 의해 유지된다는 것이다. 두 번째는 이러한 네트워크의 집

합적 성질이 시간에 따라 변화하는 매우 동적인 메커니즘, 즉 ‘네트워크 동

역학’을 지니고 있다는 것이다. 따라서 복잡하고 정교한 생명현상을 지배

하고 있는 근본적인 원리를 이해하기 위해서는 이와 같은 두 가지 특징을

규명해야만 한다.

시스템생물학, 새로운 시스템적 사고로의 전환

생체분자 네트워크에는 분명 개별 분자들이 따로 떨어져 있을 때에는

존재하지 않지만 이들이 서로 상호 작용하여 거대한 네트워크를 형성함

으로써 유발되는, 소위 ‘창발적 성질(emergent property)’이 나타나게 된다.

그리고 이러한 창발적 성질이 비로소 생명의 고유한 특징을 만들어 내는

것이다. 따라서 생명현상에 대한 근원적인 이해를 위해서는 이러한 창발

적 성질의 원인을 밝혀내야만 한다. 분자생물학이 지난 수십 년간 이루어

온 괄목할 만한 업적에도 불구하고 21세기에 접어들며 기존의 환원주의

(reductionism)적 관점에서 탈피해 다시 전체주의(holism)적 관점으로 선회하

게 된 원인도 바로 여기에 있다.

생체를 구성하는 요소들 하나하나의 물리 화학적 특징을 찾아내는 것

으로부터 벗어나 구성 요소들이 서로 유기적으로 상호 작용하여 하나의

집합적 성질을 만들어 내는 과정을 시스템 관점에서 이해하고자 하는 새

로운 패러다임이 형성되었으며 이를 ‘시스템생물학(systems biology)’이라고

136 ● 3부 BT융합

부른다.

사실 역사적으로는 이미 1968년 메사로비치 박사가 이러한 개념을 정

의한 바 있으며(그 어원 자체는 시스템과학[systems science]과 생물학[biology]의 합성

어이다), 여러 과학자들이 관련된 연구를 시도하였으나 당시의 기술 수준

으로는 그러한 연구를 위한 정량적이고 체계적인 실험 측정이 불가능하였

기에 큰 성과로 이어지지 못한 채 역사의 뒤안길에 머무르게 되었다. 이러

한 역사적 배경 가운데 위버, 마인하트, 카우프만, 헤이켄, 해리슨, 굿윈 등

에 의한 자연계의 비조직적 복잡성(disorganized complexity)과 조직적 복잡성

(organized complexity)에 대한 연구는 시스템생물학의 부활에 직접적 동기를

제공하였다. 즉 시스템생물학은 이러한 복잡계에 대한 연구를 현대 생명과

학의 포스트게놈 시대로 연장하며 재조명받게 된 분야라고 할 수 있다.

그러나 시스템생물학은 생명 시스템의 동역학 특성을 신호 및 시스템

차원에서 접근한다는 측면에서 종래의 복잡계 연구와 분명 차별화된다.

아울러 최근 기술의 진보로 인해 가능해진 대량의 분자생물학 실험 데이터

의 생성은, 시스템 이론의 적용이 가능한 수준의 정량적 데이터를 얻을 수

있게 함으로써 시스템생물학이 재조명받는 또 다른 직접적 동기를 제공하

게 되었다.

시스템생물학의 근원적인 목표는 단순히 생명현상에서 관측되는 상관

관계(correlation)를 분석하고자 하는 것이 아니라 세포(또는 세포 내의 여러 분자

들)가 외부 자극에 대해 어떻게 내부적인 동역학 변화를 유발하고 이로 인

해 자극에 대한 반응을 비로소 만들어 내는지에 대한 인과관계(causality)를

밝히고자 하는 것이다. 생명 시스템 구성의 기본 단위인 세포는 시공간상

에서 상호 작용하는 분자들로 이루어져 있으며 자가조절 기능을 갖춘 일

종의 동역학 시스템이다. 그런데 이러한 세포 네트워크의 구조, 기능, 그리

3장 시스템생물학 ● 137

고 조절 작용 등을 지배하는 상호 관계는 현재까지 대부분 밝혀져 있지 않

다. 시스템생물학은 실험과 이론적 방법론 개발의 융합연구를 통해 이러한

상호 관계를 규명하고 설명하려는 데 그 목적이 있다.

이렇듯 시스템생물학 연구가 새롭게 중요시되는 이유는 종래의 생물정

보학에서 데이터를 마이닝(mining)하는 방식으로는 구성 요소 혹은 변수들

간의 상관관계만을 밝힐 수 있을 뿐 정작 필요한 상호 인과관계와 동적인

상호 작용 등에는 접근할 수 없기 때문이다.

세포의 분자적 특성을 볼트와 너트의 조합만으로 이해하는 것이 아니라

그 본질적 기능을 탐구하기 위해서 게놈 데이터의 마이닝 방식이 아닌 시

스템과 신호 관점에서의 방법론 개발이 절실하다는 데에 초점이 집중되고

있다. 따라서 시스템생물학은 보다 많은 실험적 발견과 지식을 집대성하려

는 것이라기 보다는, 새로운 시스템적 사고로의 전환을 요구하고 있다고

볼 수 있다.

융합연구로 생명현상의 수수께끼를 풀다

시스템생물학은 현대의 생명과학이 직면한 복잡한 생명현상의 수수께

끼를 풀기 위해 그동안 전혀 다른 영역에서 발전되어 온 공학, 수학, 물리

학 등 이른바 드라이 사이언스(dry-science)와 전통적 실험생물학인 웨트 사

이언스(wet-science)가 융합되어 탄생한 새로운 학문 분야이다[그림 2]. 그 이

면에는 지금까지 생명과학계의 주된 연구가 특정 현상에 관여하는 요소를

‘발견’하는 차원에서 이루어져 온 데 반해, 생명현상의 숨은 동작 원리를

규명하기 위해서는 그와 같은 요소들이 어떻게 상호 작용하여 비로소 복

138 ● 3부 BT융합

잡한 생명현상을 만들어 내는지에 대한 ‘논리’적인 탐구가 필요하다는 시

대적 요청이 잠재되어 있다. 우리는 특정 질병과 관련된 유전자, 단백질 등

의 발견에 관한 뉴스를 종종 접하여 왔지만 그와 같은 발견으로 인해 질병

이 극복된 사례는 들어본 적이 없다. 이는 생명현상이 특정 요소의 작용만

분자·세포생물학 실험 정보 수학적 모델 정립

컴퓨터 시뮬레이션 및 분석

세포 및 분자의 상호 작용

정량 실험 데이터

모델 정립

시스템생물학

반응 예측

가설 검증

분석

시

스템과학

정보과학

생명과학

생명현상의 구체화된 질문을 공유하는 서로 다른 영역의 과학자들이 함께 모여서 가설을 수

립하고 이를 테스트해 보기 위해 정교한 실험을 계획한다. 측정된 정량 데이터로부터 수학적

모델을 정립하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다양한 상황에서 가설을 검증해 본다. 분석 결과

에 따라 가설을 수정하거나 수학적 모델을 보완하거나 새로운 실험을 설계한다. 가설이 성공

적으로 검증되면 시스템 차원의 새로운 동작 원리를 발견할 수 있으며 질병 치료와 다양한

바이오산업 발전에 응용할 수 있다. 이 과정에서 전체 연구의 핵심적인 설계는 시스템과학자

가 생물학자의 도움을 받아 효율적으로 진행해야만 성공을 기대할 수 있다. 즉, 기존 실험생

물학적 방식만으로는 풀 수 없었던 복잡한 생명현상의 수수께끼에 대한 새로운 실마리를 찾

아나갈 수 있는 것이다.

[그림 2] 시스템생물학의 연구 수행 방식

3장 시스템생물학 ● 139

으로 설명될 수 없는 복잡성을 지니고 있음을 보여 주는 단적인 예라고 할

수 있다.

시스템생물학은 단순히 여러 다른 형태의 데이터를 집대성하는 집합적

생물학(integrative biology)의 개념이 아니다. ‘시스템’이란 키워드는 여러 요소

들이 어떻게 상호 작용하여 하나의 유기적인 전체를 구성하는지에 주목

한다는 것을 의미하기 때문이다. 바로 이러한 이유로 공학, 수학, 물리학

등 다른 영역과의 학제 간 융합이 필요한 것이며, 기존 실험생물학만으로

풀 수 없던 복잡한 생명현상에 대한 수수께끼를 풀어 나갈 수 있는 새로

운 기회가 마련되는 것이다. 향후 시스템생물학은 유전체(genomics), 단백질

체(proteomics), 대사체(metabolomics) 등의 오믹스 연구를 그 궁극적인 결론에

도달하게 해 줄 수 있는 견인차 역할을 하게 될 것이다.

흔히 20세기 초엽이 물리학의 전성시대였다면 21세기는 생명과학의 전

성시대가 될 것이라고 한다. 하지만 정반대로 현재가 생명과학의 위기의

시대라고도 한다. 이는 복잡한 생명현상을 근원적으로 이해하고 이를 토

대로 질병을 극복하기 위해서는, 생명과학이 더 이상 실험자의 경험과 숙

련된 기술에 크게 의존하는 ‘발견’의 학문이 아닌 현상 이면의 동작 원리를

설명할 수 있고 재현 가능한 ‘논리’의 학문으로서 접근되어야 함을 강조하

는 의미이다. 즉 복잡한 현상에 관여된 중요한 구성 요소들을 발견하고 그

특징을 기술하는 차원에서 더 나아가, 그러한 구성 요소들이 어떠한 인과

관계와 작동 원리를 통해 상호 작용을 일으켜 비로소 창발적 현상을 만들

어 내는지를 논리적으로 설명할 수 있는 시스템 차원의 새로운 패러다임

으로 정립될 때 비로소 생명현상의 수수께끼를 풀 수 있음을 의미하는 것

이다.

생명체를 복잡계 네트워크로 인식하고 이를 정량적인 방식으로 모델링

140 ● 3부 BT융합

하여 네트워크의 근본적인 동역학을 탐구함으로써 생명현상의 창발적 성

질과 그 동작 원리를 이해할 수 있을 때, 비로소 궁극적으로 이를 제어할

수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다. 시스템생물학의 발전과 더불어 가상

세포와 가상 인간이 만들어질 날도 머지않은 듯하다.

시스템생물학의 발전으로 가상 인간을 구현할 날이 머지않았다.

3장 시스템생물학 ● 141

참고문헌

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