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60여 년 전, 영국의 수학자 앨런 튜링은 얼룩말 줄무늬처럼 생물계에서 발견되는 패턴의 형성 과정을 수학적으로 설명했습니다. 그런데 최근, 스페인 카탈란연구소(ICREA)의 제임스 샤프 교수가 이끄는 연구팀이 배아의 손가락 형성 과정도 ‘튜링 메커니즘’을 따른다는 연구 결과를 발표해 눈길을 끌고 있습니다. 앨런 튜링과 함께 그 주인공을 만나 보았습니다.

튜링 박사님, 안녕하세요. 우선 튜링 메커니즘이 뭔지 궁금합니다.

앨런 튜링 : 튜링 메커니즘은 얼룩말의 줄무늬 같이 생물계에서 발견되는 패턴의 형성 과정을 제가 수학적으로 설명한 것입니다. 미지의 분자들의 상호작용을 통해 복잡한 패턴이 만들어지는 과정을 미분방정식으로 나타냈죠. 저는 이런 미지의 분자들을 ‘튜링 분자’라고 이름 지었습니다.

샤프 교수님, 손가락이 생기는 것도 이러한 패턴 형성 과정을 따른다고 말씀하셨는데 설명해 주시겠어요?

제임스 샤프 교수 : 저는 손가락 형성에 관여하는 실제 단백질을 찾아 튜링 방정식에 적용해 봤어요. 그 결과, 손가락이 형성되는 과정을 보여 주는 모델을 만들 수 있었습니다.

앨런 튜링 : 그럼 튜링 분자를 실제로 찾아냈다는 거군요!

제임스 샤프 교수 : 네. 사실 튜링 분자가 만들어내는 신호는 이전의 연구에서도 발견됐습니다. 하지만 그 분자들의 실체를 밝혀낸 건 이번이 처음이죠. 손가락을 형성하는 패턴을 만들어내는 튜링 분자는 골형성(BMP) 단백질과 윈트(WNT) 단백질이었습니다.

아하! 그럼 이 두 가지 단백질의 상호작용으로 손가락이 만들어지는군요!

제임스 샤프 교수 : 그렇습니다. 그리고 우리 연구팀은 이 두 가지 단백질의 신호 전달 경로가 내부 확산 분자 Sox9를 통해 서로 연결돼 있다는 것도 발견할 수 있었습니다.

앨런 튜링 : 내부 확산 분자? Sox9가 뭐죠?

제임스 샤프 교수 : Sox9는 발현시키고자 하는 유전자에 결합해, DNA로부터 RNA를 만들어 내도록 유전자를 활성화하는 조절 단백질입니다. 스위치를 켰다 껐다 하는 것처럼 다른 단백질들의 신호 전달을 조절하는 역할을 하죠. 여기서는 손가락 형성과 관련된 유전자들을 활성화하겠죠?

샤프 교수님, 그럼 교수님이 만든 수학 모델이 실험적으로도 입증이 된 건가요?

제임스 샤프 교수 : 우리 연구팀은 손끝 조직을 배양시켜, 실제로 만들어지는 패턴과 연구팀의 모델로 예측한 패턴이 일치하는 것을 확인했습니다. 우리가 만든 모델이 정확하다는 것이 증명된 셈이죠. 이번 연구 결과는 앞으로 다지증 같은 손가락과 관련된 장애를 연구하거나, 힘줄이나 인대 같은 근골격의 형성 과정을 이해하는 데 활용될 수 있을 겁니다.