곤충의 날개는 "유전자 회로"에서 탄생했을까? 왜 곤충만이 하늘을 지배했는가, 날개 진화를 지탱한 "블링커 회로"

"하늘을 나는"이라는, 생명사 최대급의 업데이트

만약 지구의 역사를 앱의 업데이트 이력처럼 나열한다면, "곤충의 날개 탄생"은 틀림없이 메이저 버전 업그레이드다.
약 4억 년 전, 아직 나무들이 지표를 덮기 시작할 무렵, 처음으로 하늘로 날아오른 동물은 새도 박쥐도 아닌, 우리가 평소에 별로 신경 쓰지 않는 작은 곤충이었다.Phys.org

왜 그들만이 가장 먼저 하늘을 손에 넣을 수 있었을까. 그 열쇠의 일단이 "유전자 회로"라는 의외로 기술적인 메커니즘에 숨겨져 있었다는 것이 이번 연구다.

영국의 프랜시스 크릭 연구소 팀은 초파리를 사용한 분석에서, Dpp라고 불리는 모르포겐(형태 형성 신호 분자)과 **Brinker(브링커)**라는 분자가 만드는 피드백 회로를 발견했다. 이것이 날개와 같은 "큰 구조"를 정확하게 키우는 데 결정적인 역할을 하고 있는 것 같다.Phys.org

모르포겐 Dpp: 설계도를 운반하는 "농도의 그라데이션"

발생 생물학의 세계에서는 모르포겐이라는 단어가 자주 등장한다. 이는 "어느 세포가 어느 부위가 될지"를 농도로 전달하는 신호 분자를 말한다. 농도가 높은 곳에서는 A라는 유전자의 스위치가 켜지고, 조금 떨어진 중간 농도에서는 B가 켜지는 식으로, 그라데이션 자체가 지도가 되는 이미지다.

초파리의 날개 싹(유충기에 날개가 되는 작은 조직)에서는, Dpp라는 모르포겐이 이 역할을 맡는다. Dpp는 인간을 포함한 동물에 널리 존재하는 BMP 패밀리의 일원으로, 뼈나 장기의 형성에도 관여하는 중요한 신호다.

하지만 문제가 있다.

날개는 유충의 몸에서 조금 떨어진 "고립된 패치" 같은 조직으로 자라기 때문에, 다른 곳에서 "응원 신호"를 받기 어렵다. 그럼에도 불구하고, 날개 전체에 걸쳐 세포의 위치 정보를 정확하게 전달해야 한다.

Dpp는 근원에 가까운 부분에서는 강하게 작용하지만, 멀리 떨어지면 어쩔 수 없이 신호가 약해지고, 노이즈도 증가한다. 그럼에도 불구하고 실제 날개는 끝까지 깨끗하게 패턴이 정돈되어 있다. 도대체 어떻게?

역방향 그라데이션을 만드는 Brinker

이번 연구의 주인공, Brinker가 여기서 등장한다. 연구 그룹의 Anqi Huang 씨는 Dpp의 농도가 내려가는 것에 따라, Brinker라는 억제 인자의 농도가 역방향으로 올라가는 것을 발견했다.Phys.org

• Dpp가 강한 장소 → Brinker는 거의 발현되지 않음

• Dpp가 약한 장소 → Brinker가 강하게 발현됨

즉, Dpp의 경사뿐만 아니라, 그 "반대"로서의 Brinker 경사가 조직 전체에 깔려 있는 것이다.

더욱이, 물리학자들과의 공동 분석에서, Brinker는 단순한 수동적 반응이 아니라, 피드백 회로의 중심이라는 것이 밝혀졌다. Dpp 신호에 의해 Brinker의 발현이 억제되고, Brinker는 다시 Dpp의 표적 유전자의 온·오프를 제어한다. 이러한 상호작용의 결과, 먼 곳에서는 Dpp 그 자체보다도 Brinker의 부드러운 그라데이션이 세포에 "여기가 어디인지"를 전달하는 주요한 실마리가 되고 있다.Phys.org

다시 말해,

"흐릿한 원신호(Dpp)만으로는 불안하므로, 그것을 한 번 씹어, 보다 선명한 이차 신호(Brinker 경사)로서 재배포하는 회로"

가 조직 안에 내장되어 있다는 것이다.

날개가 없는 "시미"가 말하는, 진화 전야의 모습

이 회로가 언제, 어떻게 진화했는지를 탐구하기 위해, 연구팀은 유전자의 계통을 거슬러 올라갔다. 공개 게놈 데이터를 비교한 결과, Brinker 유전자는 곤충에 특유하며, 근연한 갑각류에는 존재하지 않는 것으로 밝혀졌다.Phys.org

더 나아가, "날개가 없는" 원시적인 곤충인 **시미(firebrat)**에 주목한다. 시미는 곤충 중에서도 오래된 계통으로, 현재도 날개를 가지고 있지 않다. 만약 Brinker의 회로가 "날개와 함께 진화했다"면, 시미에서는 Dpp와의 관계가 아직 구축되지 않았을 가능성이 있다.

실제로, 시미의 게놈에도 Brinker 유전자는 존재했지만, 초파리와 같은 역방향 그라데이션은 형성되지 않았고, Dpp 신호와도 연결되지 않았다는 것이 실험에서 나타났다.Phys.org

이 결과는 "Brinker는 원래 곤충 계통에서 태어나, 그 후, 날개를 가진 곤충의 계통에서 Dpp와 결합하여, 피드백 회로로서 정교해졌다"는 시나리오를 강하게 지지하고 있다.

400년 전이 아니라, 4억 년 전에 일어난 "하늘로의 혁신"

연구를 이끈 Jean-Paul Vincent 씨는,

곤충은 약 4억 년 전, 마침 나무가 나타나기 시작할 무렵에 최초의 비행 능력을 획득했다

고 지적한다.Phys.org

Brinker를 포함한 Dpp 신호 네트워크는, 날개라는 새로운 구조를 안정적으로 크게 성장시키는 데 유리하게 작용했을 것이다. 그 결과, 곤충은 공중이라는 전혀 새로운 틈새로 진출하여, 지구상에서 가장 번성한 동물 그룹 중 하나가 되었다는 웅대한 진화 스토리가, 이번의 한 편의 논문에서 떠오르고 있다.

SNS는 어떻게 받아들였을까? (가상 타임라인)

여기부터는, 본 기사의 테마를 이해하기 쉽게 하기 위해 재구성한 "가상 SNS 타임라인"이다. 실재하는 게시물은 아니지만, 이 뉴스가 흘러나왔을 때, 타임라인에는 분명 이런 목소리가 나올 것이다.

@evo_bio_lab
"Brinker가 곤충에 특유하고, 게다가 날개의 진화와 타이밍이 겹친다는 건, 교과서에 실릴 수준의 이야기 아닐까... #진화발생학 #곤충의 날개"

@dev_fly
"Dpp 경사를 그대로 읽는 게 아니라, 한 번 Brinker로 '재코딩'하는 게, 신호 처리로서 너무 아름답다."

@sci_illustrator
"시미의 날개 '가 아직 연결되지 않은 회로'라는 발상이 감동적이다. 진화 중의 배선도를 보는 느낌."

@bio_engineer
"이런 피드백 회로, 합성 생물학에서 인공 조직 만들 때에도 응용할 수 있을 것 같다. 세포 시트의 끝까지 패턴을 끌어당기는 등."

@casual_reader
"'날개가 없는 벌레가, 날개를 가진 벌레의 진화의 열쇠를 쥐고 있었다'는 카피만으로 읽고 싶어지는 것."

이처럼, 연구자 커뮤니티에서는 "진화발생학(evo-devo)의 좋은 예"로서, 일반층에서는 "지루한 벌레가 슈퍼히어로급의 역할을 맡고 있었다"는 스토리성이 주목받을 것 같다.

"유전자 회로"라는 관점이 바꾸는, 진화의 이미지

이번 성과가 흥미로운 것은, 진화를 "부품의 추가"가 아니라 "회로 설계의 업데이트"로 그려내고 있는 점이다.

• Brinker라는 새로운 부품이 곤충 계통에서 태어난다

• 그것이 Dpp 신호에 포함되어, 피드백 회로를 형성한다

• 결과적으로, 날개와 같은 큰 구조물을 정밀하게 제어할 수 있게 된다

이 흐름은 전자 회로나 소프트웨어의 리팩토링을 연상시킨다.
오래된 시스템에 새로운 모듈을 추가하고, 신호의 전달 방식이나 노이즈 내성을 개선해 나가는――그런 엔지니어링적인 시점에서, 생명의 진화를 바라보는 계기가 될 수도 있다.

앞으로의 응용: 날개에서 장기, 그리고 인공 조직으로

Dpp는 곤충의 날개에 국한되지 않고, 다양한 장기 형성에 관여하는 기본 신호다. Brinker와 같은 피드백 인자나, 그 네트워크 구조가 다른 조직에서도 발견된다면, 다음과 같은 응용이 보일지도 모른다.

• 재생 의료
  모르포겐의 "도달 범위"를 인위적으로 확장하여, 입체적인 장기를 균일하게 성장시키는 설계 지침이 될 가능성.

• 합성 생물학·바이오 소재
  세포로 이루어진 "생체 패턴"을, 자율적으로 큰 스케일로 확장하기 위한 유전자 회로 디자인으로 응용할 수 있을지도 모른다.

• 진화의 재현 실험
  Brinker와 같은 인자를 다른 계통에 도입하여, 신호 네트워크를 재구성함으로써, "만약 그 시대에 다른 진화가 일어났다면"을 실험실 수준에서 검증하는, 꿈이 있는 연구도 상상할 수 있다.
  
  
  

마무리: 작은 날개가 가르쳐주는 것

우리