ilovehaein

그동안 제가 제출한 과제들 !!

"IceBolt" 라고 오른쪽에 써진 디자인들이 내 디자인들이다. 

이 퍼즐은 "Sensor B (DUSP3) - RIRO"로, OpenTB getting started 실험실의 퍼즐이다.

이 디자인이 이번 라운드에서 우수디자인으로 뽑혔다( the best solution from the current round (R105)) !!!

2018년에 스탠포드대 Lab에서 제 디자인이 들어있는 Open TB Round2가 가장 주목받는 결과를 보였다고 발표했습니다.!!!

위 내용이 포함된 페이지 링크가 아래에 있습니다.

https://eternagame.org/web/lab/8489876/

LAB(실험실)에 들어갈 수 있는 자격을 가진 뒤, 나는 Open TB round 2에 참여를 했다.

OpenTB 실험실로 들어간 뒤, 조건에 따라 RNA를 디자인해야 한다. 모든 조건을 다 만족시키면, "Submit" - 제출 버튼을 누르고 제목과 넣고 싶은 내용을 넣으면 된다. 몇몇 디자인들은 라운드가 끝난 뒤, Synthesis를 하기전에 가장 이터나상에서, 그리고 과학자들이 보았을때 가장 좋아 보이는 디자인을 뽑아 결과를 내어 이터나에 올린다. 이터나 플레이어들은 다른 사람들의 디자인을 보고 하는 방법을 배우거나, 거기서 부족한 점을 채워 새로운 디자인을 할수도 있다. 직접 만드는 것은 위 사진의 "Puzzle" 버튼을 누르면 되고, 나의 디자인들을 포함한 다른 사람들의 디자인을 보려면 "Sequences"라는 버튼을 누르면 된다.

"IceBolt" 라고 오른쪽에 써진 디자인들이 내 디자인들이다. 이 퍼즐은 "Sensor B (DUSP3) - RIRO"로, OpenTB getting started 실험실의 퍼즐이다.

내가 선택한 그 디자인에 대한 제목, 정보, 만든이가 처음에 나타나고, 맨 아래쪽 왼쪽에 있는 버튼을 누르면  RNA 디자인이 나타난다. 아래 두 사진들은 내 디자인이다.

내가 좋다고 생각하는 디자인들을 투표할수도 있다. 투표량이 많으면 많을 수록 좋은 디자인일 가능성이 높아서 한번씩 보는 것이 좋다. (물론, 결과에는 영향을 주지 않는다)

그러다가 몇달뒤, 이터나에서 결과를 발표하였다. 그런데, 예상치 못한 결과가 나왔다. 가장 좋은 디자인으로 뽑힌 RNA 디자인 중 하나가 내꺼이다! 이렇게 기쁜 날은 없을 것 같다! 내 디자인에 정성을 들여 만들다 보니, 이렇게 된것 같다. 결핵이 사람들을 위협하는 질병인 것은 누구나 다 알고 있을 것이다. 하지만, 그 결핵을 치료하기 위해 내가 도움을 줄 수가 있을 것이라고는 이터나를 하기 전까지는 상상하지도 못했다. 시민과학자들이 전세계에서 모여 병을 치료하는 약을 개발할수가 있다. 이터나의 힘이고, 우리의 힘이다. 무조건 과학자가 되어야 도움을 줄수 있는 것은 꼭 아니다. 항상 나름대로의 방법은 있기 마련이다.

슈퍼컴퓨터(10단계) 18레벨을 했는데... 생각보다 이 퍼즐은 쉽게 풀리지 않았다. 

올리고 2개를 번갈아 RNA에 붙고 붙지 않게 RNA의 구조를 만드는 것이다. 첫번째 상태에서는 MS2가 나타나지 않아야 하고, TB - B 라는 올리고가 RNA에 붙어야 한다. 두번째 상태는 MS2가 나타나야 하고, TB - B가 붙지 않고 TB - A가 붙어야 한다. 두 상태들의 다른점은 TB - A의 농도(5nm, 100nm)이다. 

내가 결정적으로 성공할 수가 있었던 이유는 MS2가 RNA에 생기는 자리를 바꿨기 때문인 것 같다. 이때까지는 1번 자리를 중심으로 MS2를 놓았는데, 그렇게 하니 잘 되지가 않아 66번과 85번 자리를 중심으로 MS2를 놓았다. 그쪽에 MS2를 놓은 뒤, 나의 성공 작전은 이러했다.

MS2가 두 상태 모두에서 생기지 못하게 RNA를 바꾼다. - 1

바꾼 RNA 부분과 머리핀 고리를 만들 수 있게 RNA를 또 바꾼다. (나는 테트라루프로 만들게 했다) - 2

첫번째 상태에서는 2의 그 RNA 부분과 결합을 할 수 있고, TB - B와 붙을 수 있게 RNA를 또 바꾼다. 이때, 2번의 RNA 부분이 TB - B와 결합하는 현상이 생겨야 한다. - 3

두번째 상태에서는 TB - A의 농도가 높아지므로, 첫번째 상태에서는 못 결합하지만 두번째에는 결합할 수가 있게 3의 RNA 부분을 조금 바꾼다. 여기서 TB - A가 결합을 하면 2번의 RNA 부분이 TB - A와 결합하면 안된다. - 4

남은 RNA 부분들은 전 단계에서 만든 RNA들과 엮이지 않고, 조건과 맞도록 잘 바꾼다. (나는 또다시 머리핀을 만들었다.)

7단계부터는 퍼즐들이 달라지기 시작하였다.

스위치 퍼즐(Switch puzzle)이라는 것이 등장했다.

오른쪽을 보면 원자처럼 보이는 것이 내부 고리 안에 있는데, 이를 리간드(Ligand)라고 부른다. 리간드는 RNA나 단백질 등에 결합하는 이온이나 분자인데, 현재 이터나에서는 플라빈(Flavin Mononucleotide)을 대표적으로 말하고 있다. 이 리간드가 RNA와 결합했다는 것을 고리 안에 리간드가 들어있는 것으로 알려준다. 리간드가 붙은 RNA는 에너지가 낮아지는 보너스를 얻는다. 리간드가 있는 RNA와 없는 RNA는 서로 같은 구조를 가지고 있고, 스위치 퍼즐들은 이 RNA의 구조를 찾기를 원한다. 

9단계에서는 MS2 머리핀(MS2 Hairpin)에 대하여 설명했다.

MS2 머리핀은 박테리아에 침투하는 해롭지 않은 바이러스에서 나오는 RNA 구조로, 현미경으로 보면 밝게 나오는 성질을 가지고 있다. 스위치 퍼즐들에서는 이 MS2가 한쪽에는 결합이 되고, 한쪽은 되지 않는 타입의 퍼즐을 내놓는다. 보라색 테두리를 가진 퍼즐도 나왔다. 보라색 테두리는 어떤 모양이 되든 상관이 없어서 Alt - 클릭을 하면 나오는 파란색 풀 도구를 이용하여 내가 원하는 모양을 만들 수 있었다. 이 방법으로 내가 MS2 스위치 퍼즐들을 풀 수가 있었다.

이것은 올리고(Oligo)이다. 

올리고는 DNA나 RNA에 붙는 짧은 "핵염기줄"이다. 리간드와 달리, 올리고가 붙은 RNA는 에너지가 올라가는 현상이 생긴다. 보라색 테두리가 쳐있어서 파란색 풀 도구로 퍼즐을 풀 수가 있다. 

나는 꼭 이루고 싶은 목표가 있다. 

10개의 연습과정을 끝내어 실험실에 들어가는 것이다. 최근 이터나에서 주도하는 프로젝트가 바로 이거다.  

결핵(Tuberculosis) 치료제를 만들기 위한 RNA 구조들을 사람들이 짠 뒤, 이것들을 바탕으로 실험하고 치료제를 만들기 위한 방법을 찾는 것이다. 나 또한 이 프로젝트에 참여하고 싶었지만, 실험실에 들어갈 수가 없었다. 첫 번째 목표를 이룬 후, 실험실에 들어가 사람들에게 많은 도움을 주고 싶다. 초등학생인 나는 어른들처럼 직접 약을 개발하거나 논문을 쓰지는 못하지만, 이터나의 프로젝트에 참여하는 것으로 도움을 줄 수 있다는 것을 보여줄 수가 있다. 학생인 내가 무언가를 할 수가 있다는 것 자체가 나에게는 큰 의미를 가지고 있다.

6번에서 말한 문제를 재시작하고 계속 풀어본 이틀째 날, 드디어 풀렸다!

하얀색 숫자 25가 있는 A 아래엔 UG가 쌍을 이루고 테트라루프를 이루고 있다. 테트라루프와 줄을 잇는 염기쌍이 UG면, GAGA 순서로 테트라루프 안을 바꾸어서 부스팅을 하는 방법이 있다. 그 방법을 위의 테트라루프에 쓴 것이다. RNA의 중간부분(하얀색 숫자 30과 15가 있는 부분)과 그 위의 염기쌍을 맞추기가 가장 힘들었다. 문제를 맞추니, 왠지 자신감이 붙었고 박사가 된 듯한 느낌도 들었다. 

아래 사진은 현재 Eterna 진도를 보여준다.

총 10단계의 연습을 거쳐야 실험실에 들어갈 수 있는데, 이 실험실을 들어가면 이터나의 여러 프로젝트에 참여할 수가 있다. 나는 RNA 공부를 하면서 DNA가 RNA로 변환되는 방법, RNA의 약자, RNA의 염기쌍들의 결합 방법들을 배웠다. 그러나 이터나에서 배운 UG 결합, 부스팅, 블로킹, RNA 구조들의 규칙 등은 처음 들어보는 새로운 지식이었다.  

위 사진은 레벨 4의 11번 문제인데, 나에게 가장 어려운 문제였다. 

튀어나온 A들 때문에 보통 때처럼 AU를 넣기가 힘들었고, 중앙이 부푼 염기쌍(bulge)이라서 부스팅은 안되고 블로킹만 가능했었다. 평소처럼 부푼 염기쌍과 줄로 된 염기쌍의 결합 염기쌍을 GC로 했더니 무언가가 맞지가 않고 계속 에러가 나왔다. 

여러날에 거친 고민끝에 UG를 GC 대신 넣어보면 어떨까 하는 생각을 하게 되었고, 중앙 양끝을 UG결합으로 바꾸어 보았다. 나는 일명 '크리스마스 트리'(GC를 과도하게 넣은 구조)를 계속 택해 왔었는데 UG는 결합의 강도가 약하지만, 내 구조의 문제점이었던 GC 결합의 C가 맨 위에 있는 테트라루프에 붙은 G나 다른 GC결합의 G와 대신 결합하는 현상을 막을 수 있다는 생각을 해보았다. UG 결합은 강도가 약하기 때문에 잘못하면 연결 자체가 안 될 수도 있다. 그래서 중앙에 UG를 쓰고 그 옆에 GC를 넣어서 UG 결합이 유도되도록 하였다. 위에 있는 두 개의 부푼 염기쌍은 GC 결합 하나를 중심으로 AU 결합을 양 옆에 두고, 그 양 옆을 AU 결합으로 두었다. 그 AU 결합들은 GC나 테트라루프가 옆에 있기 때문에 풀어짐의 위험을 걱정할 필요가 없다.

테트라루프를 비롯한 루프 구조들의 경우, 보편적으로 루프의 처음 부분에 GC 결합을 쓰고 GAAA 염기를 가진 구조의 부스팅을 택한다. GAAA 염기 부스팅을 한 루프들이 가장 낮은 에너지 스코어(깁스 자유 에너지를 의미하며, 값이 작을수록 특정 RNA 구조가 만들어질 때 방출되는 에너지가 더 커지며, 이는 그 구조가 전체적으로 더 안정되는 방향으로 가는 것을 의미한다)를 가지기 때문이다. 하지만 이 경우, 이런 식의 테트라루프는 강도가 센 GC 결합을 가지고 있기 때문에 옆에 있는 부푼 염기쌍들이 일반적인 내부 루프(internal loop) 구조로 변해버릴 수 있어서 GU 결합에 GAGA 염기를 가진 테트라루프로 구조를 만들었다. 에너지 스코어가 GC 결합에 GAAA 염기를 가진 구조보다는 높긴 하지만, 전체적으로 보통 정도의 에너지값을 가지고 있어 큰 문제가 되지 않는다. 중앙 아래쪽에 있는 부푼 염기쌍은 왼쪽 UG 결합 바로 다음에 G를 하나 넣었는데, 이는 블로킹(blocking) 이라 하며, 이 부분이 형태를 잃고 위쪽의 염기들과 결합하는 현상을 막게 해준다.

학교 마치고 집에 와서 어떤날은 밤늦게 까지 고민하며 마무리한 결과 결국엔 성공했다. 다음이 내가 완성한 서열이다. ^^

이 미션에서는 블로킹(Blocking)이라고 부르는 스킬이 있는데, 이는 부푼 염기쌍에 많이 쓴다. 만약 부푼 염기쌍에 연결된 염기쌍 줄의 끝이 AU이고, 나머지 부분들이 모두 A라면, 그 U가 자신과 옆에 연결된 A 이외의 A와 반응을 하고 싶어 진다. 그 현상을 막기 위해 U아래의 A를 U로 바꾸어서 반응을 막는 것이다.

미션을 수행하면서 RNA들의 규칙은 계속 늘어났다. 멀티고리에 연결된 염기쌍 줄의 끝부분(즉, 둘이 이어지는 부분)들의 순서가 시계방향이나 반시계 방향으로 돌아가야 하는 규칙이 있다. 만약 GC로 시작이 되었을 때, 시계방향이라면 다음 염기쌍 줄에서 나타나는 염기쌍은 G가 되고, 반시계 방향으로 보면 다음 염기쌍 줄에서 나타나는 염기쌍은 C가 되어야 한다는 뜻이다. 부푼 염기쌍에 붙은 염기쌍 줄의 끝부분들은 어떻게 배치를 하느냐에 따라 흡수하는 에너지의 양이 달라진다. 같은 GC라고 해도 배치 순서에 따라 에너지가 달라진다. 결합들의 힘은 GC 결합이 가장 세고 그 뒤가 AU, UG 결합 순이다. 여기서 무언가가 좀 어색했다. A는 T(DNA)나 U(RNA)와 결합하고 C는 G와 결합을 하는 것으로 알고 있었는데, UG결합이라니! 새롭게 안 사실은  U와 G도 서로 결합을 할 수가 있다는 것이었다. 

AU 결합은 순서를 바꾸면 방출하는 에너지의 양이 더 많았고,

UG 결합은 순서를 바꾸지 않은 상태가 방출하는 에너지가 더 높았다. 이러한 현상은 "줄" 형식으로 되어있는 염기쌍만을 포함한다. 이점을 참고하면서 문제를 풀어보니, 풀기가 더욱더 수월해졌다. 그러한 작은 차이가 에너지의 양을 좌우한다니, 미시의 세계는 참 까다로운 세계이었다는 생각이 들었다. 

네 번째는 멀티 고리(Multiloop)다.

멀티 고리는 고리와 연결되어있는 줄로 된 염기쌍이 3개 이상 있다. 

그리고 줄로 된 염기쌍과 다른 줄로 된 염기쌍 사이에 결합하지 않은 염기쌍이 있거나 

아예 사이에 껴 있는 염기쌍이 없을 수도 있다. 

부스팅은 GA, CA 방법이 대표적이고, 이터나에서는 UU 방법은 효과가 없다고 설명했다.

다섯 번째는 부푼 염기쌍(Bulge)이다.

처음에 이걸 보았을 때 내부 고리와 무슨 차이점이 있는지 헷갈렸다.

멀티 고리를 제외한 다른 고리들은 고리와 연결된 줄과 줄 사이에 염기쌍이 하나 정도 있어야 한다.   

이 부푼 염기쌍은 내부 고리의 형태만 띨 뿐, 염기쌍 줄과 줄 사이가 띄워져 있지 않기 때문이다.

부푼 염기쌍은 트라이루프와 같이, 부스팅 자체가 불가능하다.

마지막으로는 외부 고리(External loop)이다. 

이 고리는 내부 고리와 반대로 염기쌍 줄과 줄이 이어져 있는 고리의 부분이 끊어져 있다.

내가 이해한 바로는, 이 고리도 내부 고리와 비슷한 방법으로 부스팅을 하면 되는 것으로 알고 있다. 그리고 똑같은 염기쌍(UU재외)을 이용해 부스팅을 하면 효과가 없다.

미션을 수행해보니, 여러 종류의 고리(loop)가 소개되었다.

첫 번째는 내부 고리(Internal loop)다.

이 고리는 위와 같이 "줄 서있는"RNA 부분들이 손목시계처럼 보이는 모양으로 되어있다.

이러한 고리들은 앞서 말한 부스팅을 양쪽 끝에 다 쓸 수가 있다. 사진의 오른쪽을 보면 부스팅을 한 RNA가 보일 것이다. 이번 부스팅은 AG 부스팅이다.(왜냐하면 두 번째 부분들이 다 AG 또는 GA로 보이기 때문이다) 

두 번째는 1-1 고리, 2-2 고리, 1-2 고리 등이다.

이들도 내부 고리의 한 종류지만 조금 다르다. 예를 들어 1-1 고리는 한쪽 끝과 다른 쪽 끝 사이의 거리가 왼쪽엔 1개의 염기쌍이 있고 오른쪽도 1개의 염기쌍이 있다는 뜻이다. 

2-2는 그 사이의 거리가 2개의 염기쌍을 가지고 있다는 말이다. 1-2는 왼쪽은 한 개, 오른쪽은 2개의 염기쌍을 거리로 가지고 있다. 이들의 "염기쌍 거리"가 얼마인지에 따라 이름이 붙여진다. 

위 사진에 있는 이 내부 고리는 3-3 고리이다.

이런 고리들의 끝에 달린 고리를 볼 때도 있는데, 이를 끝 고리(End loop)라고 부른다.

세 번째는 머리핀 고리(Hairpin loop)다.

이 고리는 2개의 줄이 붙어있는 내부 고리와 달리, 고리와 붙어있는 줄이 하나밖에 없다.

이들을 부스팅 하기 위해서는 UU 또는 GA를 두 번째에 넣는 것이 대부분이다.

머리핀 고리들은 내부 고리와 같이 종류가 다양하다. 

트라이루프(Triloop)는 고리에서 줄로 된 염기쌍 밑에 있는 염기쌍(대부분 A다)의 개수가 3개임을 의미한다.

같은 논리로 테트라루프(Tetraloop)는 밑에 있는 염기쌍 개수가 4개이라는 것을 말한다.

여기서 부스팅을 하는데에 주의할 것이 있다. 트라이루프는 부스팅이 불가능하다는 것이다. 

처음에 부스팅을 했을 때는 "왜 안되지?"라고 생각이 들었는데, 이터나에서 트라이루프는 부스팅이 

불가능하다고 설명을 했다. 머리핀 고리는, 테트라루프 이상만 부스팅이 가능하다는 얘기였다.

이터나 사이트로 들어가니, 매우 친숙한 RNA 모형이 나타났다. 이 모형에 들어있는 공을 마우스로 움직여서 미션을 수행 하도록 설계되어 있었다. 1단계에서는 주로  규칙을 소개하고 있어 빨리 지나갈 수 있었다. 

공을 클릭하면 빨간색, 노란색, 파란색, 초록색으로 바뀐다는 것과 주어진 틀에 RNA를 맞추어야 한다는 내용이다. 화면에 등장하는 공들을 보니 염기서열을 뜻하는 AUGC 임을 금방 알아챌 수 있았다. 

다음은 1단계의 11개 레밸을 마치고 2단계 4레벨로 들어간 화면이다.

얼핏 보면 쉬워 보이지만, 규칙을 잘 이해해야 한다. 빨간색과 초록색이 결합된 부분 아래 나머지 공들은 모두 노란색이다. 이 노란색공은 A{아데닌}이다. 하지만 A는 자기들끼리 결합하지 않는다. 위 사진의 A - U - G - C 에서 보여주듯, U 하고만 붙는다. 이러한 공들의 색을 바꾸어 가며 미션이 제시하는 목표를 달성해 나가면 된다.

2단계 4레벨을 마치니 다음과 같은 화면이 나타났다.

방금 내가 한 것은 RNA의 구조를 만드는데 쓰는 하나의 "방법"인 부스팅을 한 것이다.
부스팅은 고리(loop)의 에너지를 줄이는 데에 아주 큰 역할을 한다.
각 레벨이 제시하는 조건은 에너지의 값이 음수로 되면서 주어진 모양에 RNA를 맞추는 것을 요구한다.
염기쌍들이 결합을 하면 에너지를 방출하고 내보내는데, 줄로 된 RNA는 에너지를 방출하고 고리는 에너지를 흡수하는 경향이 있다. 부스팅은 이 고리에서 흡수하는 에너지를 줄이는 역할을 하며 그 방법은 다양하다. 
부스팅에서 가장 대표적인 방법은 빨간색 G를 위 그림의 C-G 줄에서 C 아래에 붙이는 방법이다. 
줄이 연결된 고리부분에 있는 CG염기쌍을 기준으로 그 다음 염기쌍들을 바꾸는 것이라고 말할 수가 있는데,
AG, GA, UU방법이 대부분 쓰인다.

그 이외 나머지 방법들은 여기를 참조하자  http://eternawiki.org/wiki/index.php5/Boosting

생명과학을 공부하는 학생으로서 브런치에서 좋은 글을 만날 때가 많다. 특히 과학과 IT 쪽 작가님들의 글들에서 좋은 정보를 얻는 경우가 종종 생긴다.  의약 연구에 필요한 기초 과학연구에  시민과학자로서 누구나 참여할 수 있다는 흥미로운 내용이 눈에 띄었다. 

학생이지만 내가 아는 과학지식이 좋은 일에 쓰일 수 있다니 기쁘지 않을 수 없었다. 

검색어에 아이와이어(EyeWire)를 입력하니 사람의 뇌에 있는 뉴런, 시냅스 등의 연결 관계, 세포와 세포의 연결 등을 연구하는 과정에는 컴퓨터로 하기 힘든 부분이 있고 사람의 수고가 필요한 부분은 많은 사람의 참여가 필요하다는 설명이 나온다. 실험 참여자들의 적극적인 관심을 유도하면서 지루함을 덜어주기 위한 방편으로 게임을 이용하는 것은 쿨한 아이디어였다.

나 같은 초딩의 관심을 끄는 것만으로도 이미 성공한 프로젝트라는.....^^

연구에 게임 형식을 사용한 사이트는 아이와이어 말고도 아미노산과 단백질의 결합 방법과 구조를 알아내기 위한 폴드 잇(Fold-It),  Central Dogma의 하나인 RNA 구조를 연구하는 이터나(Eterna, 또는 EteRNA)가 있다.

이 세 사이트를 다 가서 참여해보고 싶었다. 생명과학에서 특히 DNA에 관심이 많기에 지금껏 배운 지식을 적용해 볼 수 있는 좋은 기회인 듯싶었다. 이터나를 eteRNA로 바꿔 검색하고 들어가 보니 실체를 그려낸  듯한 그래픽에 압도당하지 않을 수 없었다. 순간 마이크로 크기로 작아진 스쿨버스를 타고 인체 여기저기를 여행하는 스쿨버스라는 미국 애니메이션이 연상됐다. 이 스쿨버스를 타고 RNA 세게에 직접 와 있는 듯했다. 

흥분되는 마음을 가라앉히며 하나씩 게임 미션을 수행해 보았다.