[논문 리뷰] Epigenetic Tracking, a Method to Generate Arbitrary Shapes By Using Evolutionary-Developmental Techniques

Alessandro Fontana|ArXiv.org|2008. 05. 16.

Design Education and Practice참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 게놈 유도 배아 발생 모델을 사용하여 임의의 2D 세포 형태를 생성하는 진화적-발달적 방법인 에피제네틱 트래킹을 소개한다. 에피제네틱 선조 기억을 갖는 드라이버 세포를 구분하고, 대량의 증식/세포사멸을 가능하게 함으로써, 프랑스 국기, 개구리, 머리 등과 같은 복잡한 블랙앤화이트 및 색상 형태를 성공적으로 진화시켰으며, 형태의 다양성과 복잡성 측면에서 이전 기법들을 능가했다.

ABSTRACT

This paper describes an Artificial Embryology method (called ``Epigenetic Tracking'') to generate predefined arbitrarily shaped 2-dimensional arrays of cells by means of evolutionary techniques. It is based on a model of development, whose key features are: i) the distinction bewteen ``normal'' and ``driver'' cells, being the latter able to receive guidance from the genome, ii) the implementation of the proliferation/apoptosis events in such a way that many cells are created/deleted at once, in order to speed-up the morphogenetic process. iii) the presence in driver cells of an epigenetic memory, that holds the position of the cell in the cell lineage tree and represents the source of differentiation during development. The experiments performed with a number of 100x100 black and white and colour target shapes (the horse, the couple, the hand, the dolphin, the map of Britain, the foot, the frog, the baby, the stomach, the french flag, the head) bring to the conclusion that the method described is able to generate any target shape, outperforming any other known method in terms of size and variety of the generated shapes. The interpretation of the proposed method as a model of embryogenesis and its biological implications are discussed.

연구 동기 및 목표

• 진화적-발달 계산을 이용해 형태에 특화된 히우리스틱 없이 일반 목적의 2D 세포 형태를 생성하는 방법을 개발하기 위해.
• 이전 기법들이 복잡하거나 볼록하지 않은, 대규모 형태를 다루는 데 어려움을 겪는 한계를 극복하기 위해.
• 선조 기억과 동적 세포 질량 형성 통합을 통해 생물학적 배아 발생을 더 정확히 모사하기 위해.
• 진화적-발달 시스템에서 '쓰레기' 유전적 및 에피제네틱 요소의 역할을 탐색하기 위해.
• 형태에 특화된 규칙 없이도 확장 가능하고 일반화 가능한 형태 발생을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 모델은 '정상' 세포와 '드라이버' 세포를 구분하며, 드라이버 세포만 게놈 지침을 받는다.
• 세포 증식과 세포사멸은 순차적으로가 아니라 대량 이벤트로 발생하여 형태 발생 속도를 높인다.
• 드라이버 세포는 선조 트리 내 위치를 나타내는 에피제네틱 기억(CET: Cell Evolutionary Type)을 유지한다.
• 게놈은 CET 값에 따라 활성화되는 발달 연산자를 인코딩하며, 이는 게놈과 형태 발생 출력 간 직접적인 연결을 제공한다.
• 형태 발생을 위해 유전자 알고리즘을 사용하여 목표 형태를 생성할 수 있도록 게놈 서열을 최적화한다.
• 시스템은 초기 배아 발생을 모방하여, 형태 특화 분화 이전에 모룰라 유사 세포 덩어리를 형성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 형태에 특화된 히우리스틱 없이 순수한 진화적-발달적 방법이 임의의 2D 형태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 선조 기반 에피제네틱 기억(CET)이 생성된 형태의 안정성과 다양성에 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 대량 세포 동역학과 직접적인 게놈-표현형 맵핑은 얼마나 복잡한 형태 발생을 가능하게 하는가?
• RQ4 진화적-발달 시스템에서 '쓰레기' 연산자와 CET 값의 역할은 무엇인가?
• RQ5 발달 논리와 확장성 측면에서 생물학적 배아 발생과 비교해 모델은 어떻게 다른가?

주요 결과

• 이 방법은 프랑스 국기, 말, 돌고래, 머리 등 10종의 고유한 목표 형태를 블랙앤화이트 및 색상 변형 모두에서 높은 정밀도로 성공적으로 생성하였다.
• 비볼록형 및 대규모 패턴을 포함한 형태의 다양성과 복잡성 측면에서 기존 기법들을 능가하였다.
• 에피제네틱 기억(CET)은 안정적인 선조 추적을 가능하게 하여 분화 및 공간 패턴 조절을 정밀하게 제어할 수 있었다.
• 대량 증식 및 세포사멸 이벤트는 순차적 세포 수준 연산 대비 형태 발생 과정을 크게 가속화시켰다.
• '쓰레기' 연산자와 CET 값(발달 중 활성화되지 않은 요소)의 존재는 진화적 블라인드 서치와 개방형 혁신과 일치하였다.
• 모델는 '쓰레기' DNA가 특정 발달 조건 하에서는 비기능적일 뿐만 아니라, 맥락에 따라 功能을 가질 수 있음을 시사하며, 이는 맥락 기반 功能성의 가정을 지지한다.