인체의 거의 모든 유형의 세포는 2미터의 DNA를 포함하고 있으며, 모발 굵기의 1/10도 되지 않는 핵 내부에 맞도록 감겨 있다. 이 단단히 감긴 DNA의 구조를 이해하는 것이 EU가 자금을 지원하는 THREEDCELLPHYSICS(3D 세포 물리학) 연구 프로젝트의 목표였다.
모발 세포와 간 세포는 동일한 DNA를 가지고 있지만 매우 다른 기능을 가지고있다. 이 차이는 생화학적 태그들로서 DNA 가닥에 부가된 후생유전학적 정보들과 관련이 있다. 연구책임자인 다비데 마렌두조(Davide Marenduzzo)는 “우리의 관심은 염색체와 유전자의 구조, 그리고 이것이 기능과 어떻게 연결되어 있는가에 있다”고 설명한다. 그는 이것을 일반적인 방식으로 설명하기 위해 상향식 모델을 고안했다.
고분자(Polymer) 모델링
마렌두조(Marenduzzo)의 접근은 물리학에서 아주 흔한 폴리머 모델링 소프트웨어를 사용하여 DNA의 디지털 버전을 만드는 것이었다. 이를 이용하여, 연구자들은 염색질의 어떤 부분이 서로 밀접하게 접촉할 수 있는지 예측할 수 있었다.
예를 들어, 핵 내부의 단백질은 작고 많은 물방울을 형성하는 경향이 있는데, 마렌두조 연구책임자와 그의 동료들은 이를 미세 상분리(microphase separation)라고 부른다. 이러한 물방울들의 집합체는 물리적으로 근접한 DNA 사슬에 있는 유전자들이 동시에 발현되는 경향이 있기 때문에 전사와 관련이 있다.
이러한 복잡한 구조를 시뮬레이션하기 위해 슈퍼컴퓨터의 사용과 물리학, 생물학 및 폴리머 모델링의 조합이 필요했다. 마렌두조는 "폴리머 모델링은 전통적인 물리학 기술이지만 우리가 수행하는 매우 큰 규모의 생물리학 시뮬레이션은 일반적인 것이 아니다"고 말했다. 그는 또한 "염색체 모델링의 경우, 이러한 대규모 시뮬레이션을 수행하는 그룹은 전 세계적으로 극소수에 불과하다”고 덧붙였다.
기계적 접근
연구진은 대부분의 다른 그룹들과 차별화된 방식으로 접근했다. 마렌두조(Marenduzzo) 책임연구원은 “많은 사람들이 데이터에서 시작하여 이 데이터에 맞는 모델을 만들지만 우리는 기계론적인 관점을 가지고 가설에서 시작하여 이를 기반으로 예측을 생성했고, 추가 실험을 통해 증명하려고 노력했다”고 설명했다.
그들은 근접한 부분을 포착하고 식별을 위해 서열을 분석하는 분자생물학 기술인 염색체 구조 포착(3C) 방법 및 Hi-C 기술을 사용하여 예측을 테스트했다. 작업에 대한 자세한 내용은 온라인 원고저장소(preprint)에서 논의된다.
프로젝트 연구팀은 다양한 세포 유형을 관찰하는 것 뿐만 아니라 디조지(DiGeorge) 증후군을 일으키는 염색체 결손의 영향을 예측했다. 연구진은 최근에 건강한 세포와 암세포의 차이를 연구하기 위해 현재 사용되고 있는 Hip-Hop 모델 또는 '예측도가 매우 높은 이형 고분자('highly predictive, heteromorphic polymer)를 개발했다.
유전자 목록
이 연구는 유럽 연구위원회의(ERC) 지원을 받았다. 마렌두조(Marenduzzo) 연구책임자는 "재능 있는 두 사람에게 5년 동안 연구자금을 지원할 수 있었다,“ ”다른 연구기금으로는 이러한 지원이 불가능하다"고 말했다. 그는 덧붙여 “이 지원금은 연속성을 유지하는 데 많은 도움이 되고, 유연성도 정말 좋았다”고 말했다.
다음으로, 마렌두조(Marenduzzo)의 연구팀은 Hip-Hop 모델의 두 번째 버전을 개발하고 가능한 모든 유전자들의 구조에 대한 목록을 만들 계획이다. 그는 “만약 당신이 관심을 가지고 있는 유전자가 있다면, 당신은 이 결과를 사용하여 3D 예측 구조를 확인할 수 있다”고 말했다.
