통계적 추론과 네트워크 과학의 방법론을 활용하여 복잡계 시스템에서 나타나는 성질과 네트워크 구조를 밝히고 예측하는 것을 최종 목표로 설정한다. 연구책임자의 연구 경험을 기반으로 하여 박테리아의 신진대사, 도시와 시설 등의 복잡계 시스템을 대상으로 선정하였고 방법론의 측면에서는 새로이 도전하는 통계적 추론, 네트워크 동역학 등을 고려하여 연구를 수행한다. 보...

◎ 3년차 연구내용: 시뮬레이션을 통해, 동역학의 결과를 단순히 구조적 특성을 추론하는 것도 상당히 실용적이고 유의미하다. 여기에서 더 나아가 이론적인 분석을 함께 진행하여 연구 주제에 대한 이해의 폭을 더 넓히고 깊이를 다지려고 한다. 대사유체 분석 관점에서, 하나의 화학반응에 이상이 생겼을 때 그 여파가 어느 노드(화합물 또는 화학반응)까지 미치는지 이론적으로 예측한 선행 연구가 있다[3, 4]. 그 특징 중 하나로, 영향을 받는 노드들 집단 사이에 위계적 구조(hierarchical structure)라는 것이 있다. 이 연구에서 정확히 ‘외부 변화가 미치는 동역학적인 여파를 연결망 구조만으로 예측한다’는 견지가 담겨 있다. 본 과제에서는 기술된 접근 방식보다 복잡한 대사유체 분석을 적용하지 않고 예측한다는 것이 강점인데, 대사유체 분석의 결과와 차이점과 유사점이 무엇인지, 기존 이론을 본 주제에 적용할 때 해결해야 하는 점은 무엇인지 분석하여 연구완성도를 높인다. 이외에도 연결망 과학과 복잡계 과학을 전문분야로 두고 있는 연구자의 역량을 발휘하여, 전력망의 안정성·스미기 현상의 링크 제거 전략·감염병 확산 모형·시설물 분포 최적화 등 다양한 연구를 추가로 수행한다.

[1년차, 2년차]: 신진대사 연결망의 형성 매커니즘을 제안한다. 활용하고 있는 데이터에서 관찰한 바에 의하면, 각 종이 지니고 있는 화학반응식의 숫자는 종 전체에 걸쳐 매우 좁은 분포를 보이는 반면, 각 화학반응식이 여러 종에 걸쳐 사용되는 빈도수는 멱함수 지수가 1에 가까운 매우 넓은 분포를 보인다(). 종합하자면, 수많은 종들이 비슷한 수의 화학반응식을 지니고 있고, 물 등을 포함하는 화학반응식들 중 일부는 대부분의 종에서 사용되지만 상당수의 화학반응식은 소수의 종에서만 사용되는 구조라는 것을 뜻한다. 자명해 보이는 관찰일 수 있으나, 본 연구에서는 이를 기준점으로 삼아 신진대사 연결망 형성의 진화과정을 이해해보고자 한다. 제안하는 매커니즘을 토대로 한 종의 신진대사 연결망의 성장과 종 분화로 기술되는 생태계의 종 연결망의 성장을 구현한다. 모델의 타당성을 확인하기 위해, 이 가상의 생태계에서 관찰된 화학반응식 수의 분포와 화학반응식 빈도수 분포가 실제 데이터와 유사하게 재현되는지 살펴본다. [2년차, 3년차]: 연결망 과학을 기반으로 하여 화학반응식의 치명도를 연구한다. 대개 하나의 화학반응은 특정 효소가 촉매가 되어 일어나고, 그 특정 효소는 특정 유전자를 통해 형성된다. 만일 염색체 내 DNA에 문제가 생겨 하나의 유전자가 기능을 하지 못한다면, 이 일련의 과정에 의해 그 유전자의 영향을 받는 화학반응이 일어나지 못할 수 있다. 이는 화합물 생성이 어려워짐을 의미하고 더 나아가 생명유지에 심각한 위험을 초래할 수 있다. 본 연구에서는 화학반응과 화합물 간의 연결망을 구성하여, 화학반응 하나의 작동이 멈추는 것이 시스템 전체에 어떠한 영향을 미치는지 연결망 구조만을 이용하여 알아내고자 한다. 즉 작은 섭동(perturbation)으로 야기된 다른 화학반응의 연쇄적인 기능 정지가 얼마나 발생하였는가를 파악한 후, 초기에 작동을 멈춘 특정 화학반응이 갖고 있는 연결망 구조가 연쇄적인 기능 정지를 일으킨 화학반응들의 수와 어떤 상관관계를 주는지 이해하려 한다. 시뮬레이션 뿐 아니라, 이론적인 분석을 함께 진행하여 보다 심도 깊은 논의를 진행한다.