[동아사이언스/케미컬에세이]허파 프랙탈 패턴 형성 비밀 찾았다

태아에서 허파가 발생하는 과정. E11은 수정 뒤 11일째를 의미한다. 그림에서는 가지 치는 방식에 따라 다른 색으로 표시했다. 보라색(영역 가지치기), 녹색(평면 갈래 나뉨), 빨강(수직 갈래 나뉨)

가치 지는 방식 3가지를 그림으로 표현했다. 보라색(영역 가지치기), 녹색(평면 갈래 나뉨), 빨강(수직 갈래 나뉨)

꽃이 막 지고 작은 알갱이가 다닥다닥 달린 포도송이를 연상시키는 허파.

왜 허파는 이렇게 복잡한 구조를 띨까. 허파는 공기 중의 산소를 몸속 기관에 전달하기 위해 혈관과 함께 발달한 기관. 허파 같은 기관없이 단순히 확산만으로는 몸속 세포에게 산소를 공급해야 한다면 지상에 1mm가 넘는 동물은 존재하지 않을 것이다.

표면적을 최대한 넓히기 위해 허파는 기관지 끝이 갈라지는 과정이 반복돼 끝부분에 허파꽈리가 분포한 구조로 진화했다. 수학의 관점에서 보면 프랙탈 구조에 가깝다. 해안선이나 나뭇가지에서도 관측되는 프랙탈 구조는 부분이 전체를 닮는 자기 유사성(self-similarity)과 정수가 아닌 차수가 특징이다. 허파의 경우 2차원과 3차원 사이의 값.

미국 스탠퍼드대 생화학과 마크 크라스노 교수팀은 생쥐 태아에서 허파가 발생할 때 만들어지는 프랙탈 패턴에 관여하는 유전자의 상호작용을 밝혀냈다고 ‘네이처’ 6월 5일자에 발표했다. 이에 따르면 가지를 치라고 명령하는 ‘Fgf10’이라는 유전자와 이를 억제하는 ‘Sprouty2’라는 유전자가 공간에 따라 적절한 타이밍에 발현될 때 정상적인 허파 구조가 만들어진다.

길쭉한 관 형태인 기관지는 수정 뒤 10일 무렵 끝부분이 둘로 갈라지면서 폐가 만들어진다. 11일째는 두 갈래로 갈라진 부분에서 또 가지가 나기 시작하고 12일째는 그 갈라진 가지 말단이 또 갈라진다. 이런 과정이 반복되면서 말단에 수많은 허파꽈리가 만들어진다. 가지를 치는 방식은 3가지로 나뉜다.

가지 중간에서 새로운 가지가 나오는 ‘영역 가지치기’는 허파꽈리가 달릴 자리를 만든다. 이전에 갈라진 방향과 평행한 방향으로 말단이 갈라지는 ‘평면 갈래 나뉨’, 이전 방향과 수직으로 갈라지는 ‘수직 갈래 나뉨’은 주어진 공간에 최대한 넓은 표면적을 만들기 위한 해법이다.

연구자들은 “이런 복잡한 형태형성 패턴을 유전자로 설명할 수 있다”며 “이번 연구는 생명체에서 보이는 가지치기 구조를 지난 다양한 기관의 진화를 이해하는데도 도움이 될 것”이라고 말했다.

강석기 동아사이언스 기자 ㆍsukki@donga.com