• 단일 세포 질량을 분 단위로 정밀 추적하여 세포 간 성장률 차이의 원인 규명
• 세포 크기나 세포분열이 아닌, 짧은 시간 규모의 확률적 성장 변동이 장기적 성장률 차이를 유발함을 확인

서울대학교 기계공학부 강준호 교수 연구팀이 세포마다 서로 다른 성장률을 보이는 현상의 근본 원리를 규명했다. 이번 연구는 단일 세포의 질량 증가를 장시간, 고정밀도로 추적하여, 세포 성장률의 차이가 세포 크기나 세포분열 과정 자체에서 비롯되는 것이 아니라 세포 내부에서 발생하는 짧은 시간 규모의 확률적 성장 변동에서 기인함을 밝혔다. 이번 연구는 미국 매사추세츠공과대학(MIT), 다트머스대(Dartmouth College), 이스라엘 와이즈만연구소(Weizmann Institute of Science) 연구진과 함께 수행한 국제 공동연구로, 그 결과는 세계적 권위의 학술지인 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)에 게재되었다.


 

Figure 1 세포 한 개의 성장을 여러 세대에 걸쳐 추적한 정밀 계측 결과. 연구팀은 단일 세포의 질량 증가를 장시간 측정하여, 세포마다 성장률이 달라지는 원인이 세포 크기나 분열 자체가 아니라 시간에 따라 발생하는 확률적 성장 변동에 있음을 밝혔다.

 

■ 세포 성장률 차이의 원인을 정밀 측정으로 추적

유전적으로 동일한 세포라도 개별 세포의 성장률은 서로 다르게 나타난다. 이러한 세포 간 성장률 변동은 세포의 적응도, 크기 항상성, 암세포 성장 등 다양한 생명현상과 밀접하게 관련되어 있지만, 그 원인이 세포 크기 조절, 세포분열 과정, 또는 세포 내부의 확률적 성장 변동 중 무엇인지 명확히 구분하기 어려웠다.

연구팀은 미세유체공진기(Suspended Microchannel Resonator, SMR)를 이용하여 림프구성 백혈병 세포의 질량 증가를 분 단위 시간해상도로 장시간 추적했다. 이를 통해 단일 세포가 여러 세대에 걸쳐 성장하고 분열하는 과정을 계보(lineage) 단위로 관찰하고, 세포 성장률 변동이 시간에 따라 어떻게 발생하고 축적되는지를 정량적으로 분석했다. PNAS 논문 Figure 1은 SMR을 이용해 약 1분 간격으로 단일 세포의 부유질량을 측정하고, 세포분열 시 하나의 딸세포를 계속 추적하는 방식의 장기 계보 측정 데이터를 제시한다.

 

■ 세포 크기와 분열만으로는 설명되지 않는 성장률 변동

기존에는 세포 크기가 성장률을 조절하거나, 세포분열 시 발생하는 비대칭성이 성장률 차이를 만든다는 가능성이 제기되어 왔다. 그러나 연구팀은 장기 단일세포 계보 데이터를 분석한 결과, 성장률과 세포 크기의 상관관계 또는 비대칭적 세포분열만으로는 세포 간 성장률 변동을 설명할 수 없음을 확인했다.

연구팀은 가우시안 프로세스 회귀(Gaussian process regression)를 활용해 성장률 데이터의 장기적 추세를 제거하고, 짧은 시간 규모에서 발생하는 성장률 변동을 분리했다. 그 결과, 이러한 단기적 성장 변동이 세포분열, 세포주기, 세포 크기와 독립적으로 나타나며, 장기적으로 관찰되는 세포 간 성장률 차이를 만들어낸다는 사실을 밝혔다.

 

■ 단일세포 성장 동역학 이해를 위한 정량적 프레임워크 제시

이번 연구는 세포 성장률의 장기적 차이가 특정 세포의 고정된 특성이라기보다, 짧은 시간 규모에서 발생하는 확률적 성장 변동이 누적되어 나타나는 현상임을 보여준다. 이는 단일세포 수준에서 성장, 크기 항상성, 세포 간 이질성을 이해하기 위한 새로운 정량적 프레임워크를 제공한다.

강준호 교수는 “이번 연구는 고정밀 단일세포 질량 측정 기술과 수리적 분석을 결합하여, 세포 성장률 변동의 기원을 시간 규모별로 분해했다는 점에서 의미가 크다”며, “향후 암세포 성장, 약물 반응성, 세포 상태 변화 등 다양한 생명공학 및 정밀의학 연구에 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

또한 이번 연구는 단일세포의 물리적 특성을 장시간 연속적으로 측정하는 정밀 바이오계측 기술이 세포생물학의 근본 질문을 해결하는 데 중요한 도구가 될 수 있음을 보여준다. 연구팀은 향후 다양한 세포 유형과 질병 모델에 해당 분석법을 확장하여, 세포 성장의 이질성과 질병 진행 및 치료 반응 간의 관계를 규명하는 후속 연구를 수행할 계획이다.

[참고자료]
- 논문/저널명: E Levien*, JH Kang*, K Biswas, SR Manalis, A Amir, TP Miettinen. Stochasticity in mammalian cell growth rates drives cell-to-cell variability independently of cell size and divisions. Proceedings of the National Academy of Sciences (2026).
- DOI  https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2516372123

[문의]
서울대학교 공과대학 기계공학부 강준호 교수 / 02-880-1594 / joonhokang@snu.ac.kr