방사선이 사람 몸에 미치는 영향을 규명키 위해서는 보통 40~50년에 걸쳐 추적 연구를 진행한다. 하지만 소요 시간이 너무 길고 우주처럼 실제 맞닥뜨리기 어려운 환경인 경우도 있다. 이에 세계적으로 M&S(Modeling & Simulation·모델링 앤 시뮬레이션, 핵물리모델 기반 분자 간 거동 해석 시뮬레이션 기술) 기술로 방사선 손상을 예측하는 연구가 활발하다.

한국원자력연구원(원장 박원석) 첨단방사선연구소(소장 이남호)는 ‘방사선 DNA 손상 정밀 예측 모델’을 국내 최초로 개발했다고 8월 1일 밝혔다.

방사선 선량에 따라 생물체 DNA가 얼마나 손상되는지를 정밀하게 예측하면 방사선 치료 시 인체 영향 등을 사전에 평가·대비할 수 있다. 이에 해외에서는 미국항공우주국(NASA), 유럽우주국(ESA), 프랑스국립과학연구센터(CNRS)를 중심으로 관련 연구가 진행 중이다. 원자력연구원 역시 2021년부터 DNA, 단백질 등 몸속 물질의 방사선 손상을 예측할 수 있는 모델 개발에 착수했다. 

원자력연구원 연구진은 이번 모델 구축을 위해 복잡한 DNA 구조를 ‘굵은 알갱이 모형(Coarse Grained)’으로 변환했다. 실제 DNA 구조는 개별 원자들로 표현되는 반면 굵은 알갱이 모형은 보다 큰 단위로 묶여있는 형태다. 굵은 알갱이 모형을 이용하면 각 원자 사이의 여백 공간에 미치는 방사선량까지 포함할 수 있다. DNA가 외부로부터 영향 받은 방사선량을 정밀하게 계산할 수 있는 것이다.

이후 DNA를 구성하는 여러 종류의 원자들이 각각 어느 시점에 손상되는지를 파악했다. 같은 DNA 내에서도 원자별로 손상되기 시작하는 방사선량이 다르다. 연구진은 원자 간 결합이 끊어지는 순간 등을 기준으로 삼았다. 해당 데이터를 토대로 방사선에 의한 DNA 손상 정도를 모사하는 ‘시뮬레이션 코드’를 완성했으며, 기존 기술과 유사한 정확도를 확인했다. 

기존 기술은 추적 연구를 통한 데이터를 기반으로 통계적으로 예측한다. 이에 반해 원자력연구원이 개발한 모델은 사전 데이터가 없는 동물에도 적용할 수 있고, DNA 뿐만 아니라 아미노산, 단백질 구조의 손상도 예측할 수 있다. 특히 원자별 손상 값을 독립적으로 계산하기 때문에 기존 대비 방사선 손상 위치와 종류까지 정밀하게 판별한다. 

원자력연구원이 개발한 모델은 DNA 수준에서 손상 정도를 예측할 수 있다. 이번 DNA 모델을 시작으로 개체 전체에 대한 방사선 손상 시뮬레이션이 가능하도록 원천 기술을 확보해나갈 계획이다. 

박원석 원자력연구원장은 “방사선 손상 시뮬레이션은 원자력 외에도 우주, 의료 등 다양한 산업에 활용 가능하다”며 “국제적으로 새롭게 부상한 방사선 M&S 기술 분야에서도 연구원의 우수성을 발휘하겠다”고 밝혔다. 

한편 이번 연구 결과는 세계적 학술지인 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 7월 5일자 온라인에 게재됐다. 논문명은 ‘New damage model for simulating radiation-induced direct damage to biomolecular systems and experimental validation using pBR322 plasmid(생체 소재에 대한 방사선 직접손상을 시뮬레이션할 수 있는 새로운 손상 모델 개발 및 pBR322 플라스미드를 이용한 실험적 검증)’이다.