'생명의 기원'이 드디어 규명? 상상 이상으로 단순한 메커니즘

원시 지구에서 최초의 세포가 탄생한 구조를 밝히는 새로운 발견이 나타났다. 1924년 이후 오랫동안 잊혀져 있던 진화 역사의 가설에 다시 관심이 쏠리고 있다.

생명의 기원에 대해서는 1924년 러시아의 생화학자 알렉산드르 오파린이 발표한 설이 널리 지지를 받고 있다. 원시 지구의 대기 성분으로부터 합성된 비생물적인 유기물이 몇 가지가 모여, 바다에서 '방울'이라 불리는 형태가 된다. 막은 없지만 주머니 모양의 구조를 갖는 방울은, 그 후 생명을 얻어 세포가 되었다는 것이다.

그러나 방울이 세포에 이르기까지, 어떻게 성장 · 분열 · 증식 과정을 거쳤는지는 지금까지 아무도 설명하지 못했다. 막 없이는 진화도 없다며 오파린의 이론을 반박하는 연구자도 있다. 화학물질을 모아 생명을 키우기 위해서는 지방산의 막이 필수적으로 막 없는 액체 방울의 세포는 발생하지 않는다고 주장한다.

이러한 논의에 새로운 바람을 불어넣는 발견이 2016년 12월, 물리학의 국제 학술지인 '네이처 피직스'에 발표되었다. 독일 드레스덴의 막스 플랑크 복잡계물리연구소와 동분자세포생물학 · 유전학연구소의 데이비드 츠비카와 공동 연구자들이 낸 논문이 그것이다. 방울이 세포의 크기까지 성장한 후 마치 세포처럼 분열하는 경향이 있었다고 한다.

막 없는 액체 방울들이 자발적으로 분열한다면 '(오파린의 말대로) 비생물적인 유기물의 농축된 수프에서 생명이 자연적으로 발생했을 가능성이 커집니다'라고 논문의 공동저자이자 생물물리학자 프랭크 유리하 씨는 말한다.

세포처럼 행동하며 '분열'하는 방울

실험에서는 세포분열 등에 관여하며, 방울과 비슷한 행동을 하는 세포 소기관 '중심체'를 모델로 한 모형을 사용했다고 합니다. 내부에 포함된 단백질은 에너지원이 존재하면 역반응을 일으켰다. 수용성은 불용성으로, 불용성은 수용성이 되었다. 방울은 직경 수십~수백 미크론으로 성장한 즈음에 분자의 유출입이 균형을 이뤄, 성장이 멈추었다. 유리하는 '원시 지구에서는 태양이 방울을 성장시키는 원동력이 된 것이다'고 말한다.

'분열'과 매우 비슷한 현상도 보였다. 방울의 크기는 안정되어 있지만, 형상이 불안정하여 불용성 단백질 분자가 과도하게 유입되면 그 방향으로 약간 늘어지다가 팽창된 부분의 표면적이 넓어지고 한편, 표면적이 작은 상태인 중심부는 수축되어 결국 두 방울로 갈렸다.

간단한 분열을 하는 방울이, 아메바에서 얼룩말까지 다양한 동물로 진화했을 가능성은 있는 것일까? 이번 새로운 발견에 주목하는 물리학자나 생물학자는 '가능성이 있다'고 말한다.

연구팀은 다음 단계로, 향후 몇 개월에 걸쳐 중심체 등의 단백질과 물리적으로 유사한 합성 폴리머 방울을 만들어 어떻게 성장 · 분열하는지 관찰할 예정이다. 그 다음은 중심체 자체 방울의 분열을 관찰하는 등, 연구팀이 논문에서 발표한 메커니즘을 검증, 확인한다. 이러한 실험은 막스 플랑크 분자세포생물학 · 유전학 연구소에서 생물학 연구소의 소장을 맡고있는 도라탐의 협력을 얻어 진행될 예정이다.

반대론자도 납득하는 새로운 가설

캘리포니아대학 산타크루즈 캠퍼스의 생화학자 데이비드 디마는 '막 없이 진화는 없다'는 설을 오랫동안 옹호해 왔다. 이번에 새로 발견된 액적분열 메커니즘에 대해서도 '흥미롭지만, 현재의 세포분열에서 볼 수 있는 다단계의 복잡한 과정과는 동떨어져 있으며, 생명의 기원과 관련되는지는 아직 모르겠다'고 말한다.

다른 연구자들은 이렇게 반박한다. 탄에 따르면, 모핵(母核)인 방울이 일단 분열을 시작하면 곧바로 유전 정보를 전달하는 능력을 얻을 수 있고, 단백질을 합성하는 정보를 가진 DNA와 RNA를 낭핵(娘核)을 위해 동일 분배할 수 있다는 것. 이러한 유전정보 전달물질이 액체 방울의 분열 속도를 높이는 단백질을 합성하게 되면, 원시세포는 자연 상태의 물질이 무질서하게 퍼져가는 '엔트로피 증가의 법칙'과 태양광에 의해 점점 복잡하기 변해갔을 것이다.

유리하 연구팀은 '원시세포는 이 복잡화의 과정에서 세포막을 획득했을 가능성이 있다'고 주장한다. 방울은 자신과 주위의 액체와의 경계면에 머물려고 하는 지질 외피를 자연스럽게 모으기 때문이다. 또한 유전자가 어떤식으로든 이러한 막을, 일종의 방어를 위해 탑재할려고 했을지도 모른다고 말한다. 이 가설에 대한 디마는 '그런 것이라면 동의합니다'라며 원시세포의 정의를 '막을 가진 첫 번째 방울'이르고 해야한다고 주장했다.

상상 이상의 단순함에 연구자들이 극찬

생명의 기원에 얽힌 이야기는 앞으로의 실험 결과에 따라 달라질 수 있다. 그러나 생명의 기원을 연구하는 학자들은 이번 새로운 발견의 단순함을 극찬하고 있다.

생명의 발생하는 물리적 메커니즘을 연구하는 네덜란드 라이덴 대학의 이론생물물리학자 루카 기오미 씨는 지금까지 생각해 온 원시세포 분열 메커니즘보다 훨씬 단순하기에 '매우 기대되는 방향이다'고 말한다. 옥스포드 대학의 이론물리학 교수 라민 고루스타니안 씨도 '생명 형성의 일반적인 현상학은, 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 간단하다고 시사하고 있다'고 말한다.

액적 분열 메커니즘은 실제로 생명의 발생에 얼마나 연관성이 있는가. 생화학적 방울 중에서 수용성과 불용성의 단백질을 발견되어, 새로운 발견의 정확성을 입증해줄 것일까. 어쨌든 조만간 비생물에서 생명이 탄생하는 현실적인 이치가 명확해질 것은 틀림없다.

출처 참조 번역
「生命の起源」ついに明らかに？ その想像以上にシンプルなメカニズム
https://wired.jp/2017/05/09/how-life-began/

「生命の起源」ついに明らかに？ その想像以上にシンプルなメカニズム