[펌] 화학적 진화와 생명의 기원

화학적 진화와 생명의 기원

L.E.Orgel

〈전생물적 화학 前生物的 化學〉(prebiotic chemistry)이라는 용어는 원시지구 상에서 일어 난 과정들을 흉내낼 의도로 실험실에서행해지는 화학반응을 기술하기 위해 보통사용되는 것이다.반응들 자체는 화학자들이 전혀 다른 동기를 갖고 연구하는 실험들과 거의 다르지 않을 때가 많다. 자기가 수년 동안 산문을 써왔음을 발견하고 놀란 사람처럼 많은 유기화학자들은 수년 동안 전생물척 화학을 해왔으면서도 깨닫지뭇하고 있었다.

전생물적 화학에서 가장 중요한 실험들 중의 하나는 1832년에 도이칠란트의 화학자 픈리드리히 뵐러(Friedrich Wohler, 1800 -82)가 행한 것이다. 뵐러가 그의 연구를 발표했을 때 과학자들은 아직도 광물이나 바위갈은 무생물의 화학과 생물에 관한 화학에는 본질적인 차이가 있는 것으로 믿었다. 이 두 분야는 각각 무기화학 및 유기화학이라 일컬어졌다. 오늘날 유기화학의 내용은 생체로부터 나온것인지 아닌지를 구별하지 않고 거의 모든 탄소화합물의 성질을 취급하고 있지만, 이 용어들은 아직도 사용되고 있다.뵐러는 무기화합물인 시안산암모늄(ammonium cyanate)을 가열할 때 유기화합물인 요소가 생성됨을 보였다. 뵐러의 실험이 중요한 것은 이것이 무생물의 화학과 생물의화학 사이에 메꿀 수 없는 간격이 존재하지 않음을 증명하는 일련의 증거 중의 일부이기 때문이다. 요소는 원시지구장에서 암모니아와 시안산염으로부터 생성되었을 가능성이 있으므로 뵐러의 요소합성을 현대적인 생각으로는 한 중요한 전생물적 반응으로 간주할 수 있다.

19세기 후기와 20세기 초에 전생물적 반응이라 볼 수 있는 것들이 많이 수행되었다. 예컨대 중요한 아미노산인 글리신이 시안화수소로부터 얻어졌으며, 당들이 포름알데히드로부터 합성되었다. 시안화수소와 포름알데히드는 둘 다 이미 무기물들로부터 얻어겼으므로, 이 반응들은 당연히 전생물적 반응들로 기술될 수 있었다.

원시지구 상에서 일어 났던 반응들을 고의적으로 흉내내는 의미로서의 前生物的 化學은 훨씬 최근에 생긴 것이다.오빠린과 흩데인은 첫 생물이 출현하기 이전 기간에 지구의 대기는 분명히 환원성이었음을 강조하였다. 그들은 이러한 대기 중에 유기화합물들의 혼합물이 생성되었으며,첫 생물은 이 화합물들로부터 조립되었다고 제안하였다.우리들은 아직 미해결의 세부적인 문제들이 많이 남아 있는 것은 인정하지만, 천문학적 및 지구물리학적 연구의 결과가 원시지구가 환원성이었다는 가정과 대체로 부합함을 논술하였다.

아미노산,당 및 뉴클레오티드 염기들의 합성

1953년에 쉬카고대학의 유리교수의 학생으로 있던 밀러는 메탄, 암모니아, 수소 및 물의 혼합물에 천기방전을 작용시켰다. 그는 오빠린과 홀데인이 예언했던 대로 아미노산을 포함한 유기화합물들의 혼합물이 형성됨을 보일 수있었다. 이 실험들은 이와 연관된 많은 연구들을 자극하였으며, 당연히 전생물적 화학에 대한 현대적 연구의 효시로 간주될 수 있다.

전생물적 화학은 유기화학의 복잡한 한 분야이다. 자세한 결과는 고도로 기술적인 것이므로 메커니즘적 유기화학의 데두리 안에서만 이해될 수 있다. 이 장에서 우리는 자세한 내용에는 들어가지 않고 현재까지 달성된 진전을 간추려 보기로 한다. 밀러가 사용한 장치가 아래에 나와 있다.

작은 플라스크는 물로, 장치의 나머지 부분은 메탄(CH4), 수소(H2),질소(N2) 및 암모니아(NH3)의 흔합물로 채웠다. 작은 플라스크 내의 물을 끓임으로,써 기체 혼합물이 약간의 수증기와 함께 텅스텐 전극을 지나 순환되도록 하였다. 그리고는 천극 사이에 고전압을 걸어 스파크 방전이 일어나게 하였다.

전기방전 중에 생성된 것은 냉각기에서 액화된 물에 녹아 작은 플라스크로 내려간다. 이런 종류의 장치에서는 휘발성 생성둘은 계속해서 수증기와 함께 작은 플라스크 밖으로 증류되어 나가 다시 방전의 작용을 받고 비휘발성 생성물은 작은 플라스크에 축적된다.

밀러의 실험에서 배울 점이 많은 것은 이것이 원시지구상에서 일어났던 화학을 흉내내려는 수많은 시도들에 있어 여러가지 공통적인 점들을 예시하기 때문이다. 밀러는 당시에 원시대기의 주성분이 메탄, 수소, 암모니아 및 수증기라고 생각하였으므로 이 기체들의 혼합물을 사용하기로 결정하였다. 작은 플라스크에 든 끓는 불은 원시해양을 대표하는 것으로 가정하였다. 마지막으로 기체에 통한 전기방전은 원시대기 중의 번개와 동등한 것으로 간주하였다. 결과의 해석에서는 끓는 물 중에 축적된 물질은 원시해양 중에 축적되었을 유기물질에 해당하는 것으로 가정하였다.¹⁾

밀러의 실험에서 어떤 점들은 분명히 실제와 맞지 않는다. 예컨대 해양들은 생명이 출현한 당시에 끓고 있지 않았다. 밀러는 기술적인 이유 때문에 찬 〈해양〉보다 끓는물을 사용하기로 하였다. 만약 그렇게 하지 않았다면 장치 내의 기체들이 충분히 빨리 순환하지 않았을 것이다.이 방법의 다른 중요한 이점은 찬 용액에서는 때우 느린 많은 반응들을 촉진한 것이었다. 대학원생의 연구기간은 기껏해야 수년에 불과하므로 원시지구 상에서 수백년 흑은그 이상 걸린 것이라할지라도 며칠 내에 성취할 필요가 있는 것이다. 따라서 전생물척 화학의 실험들은 원시지구상에 존재했던 조건들을 정확히 재현하려고 시도하는 경우가드물다. 정확히 흉내낼 수없는 경우에는혼히 외삽법(extrapolation)을 사용한다. 그리하여 우리는 원시지구장에서 장구한기간에 일어났던 것을 짧은 시간내에 일어나게 할수있는조건 하에서 화학반응들을 연구하는 것이다.

두가지 형태의 외삽법이 특히 중요하다. 일반적으로 화학반응의 속도는 온도가 증가함에 따라 증가한다. 두가지 이상의 고온에서 반응속도를 측정하면, 저온에서의 반응속도를 정확히 추정할수있다. 이러한 방식으로 원시해양 중에서 수백만년이나 걸렸을 반응들에 관해 며칠 흑은 몇주만에 배울 수 있다.

많은 화학반응들의 속도는반응물들의 농도와 매우 간단한 방식으로 관련되어 있다. 이것을 이용하여 실험실에서 보다 진한 용액을 연구함으로써 원시해양 중의 묽은용액들이 어떻게 행동했는가를 결정할 수있다. 이점이 중요한 것은 해양의 부피는 광대한데 비해, 보통 화학실험실에서는 기껏해야 몇 리터의 용액을 갖고 실험해야하기 때문이다.

이제 밀러의 실험들의 결과로 돌아가기로 하자. 1주일이 경과한뒤, 스파크를 끄고 장치의 내용물을 식게 하였다. 그리고는 작은 플라스크내의 용액을자세히 분석하였다. 그결과는 매우 놀라왔다. 원래 〈대기〉중에 들어 있던 탄소의 15%가〈해양〉속에서 검출된 유기화합물들로 존재했다. 이 탄소의 약 5%는 중요한 생화학적 화합물로 변해 있었다. 밀러의 결과중 가장 놀라운 점은 몇가지 천연 아미노산이 상당히 생성되었음을 발견한 것이었다. 글리신,알라닌, 아스파르트(aspartic)산 및 글루탐(glutamic)산이 확실히 검출되었다.

밀러의 실험에서 검출된 반응초기 화합물들

밀러의 실험에서 형성된 아미노산들

이 사실이 얼마나 놀라운가를 이해하기 위해서는, 이 결과를 일반 유기화학을 배경으로해서 고찰해야한다. 수백만가지의 유기화합물들이 알려져 있으며, 수천종은 아미노산들의 구조보다 덜 복잡한 구조를 갖고 있다. 이 실험들이 보고되기 전에는, 대부분의 화학자들이 메탄, 암모니아,수소 및 불의 혼합물에 전기방전을 작용하면 많은 다른 종류의 물질들을 소량씩 함유한 혼합물이 생성될 것으로 예측했을 것이타. 비교적 적은수의 물질이 얻어졌다는 점과 이들 중 다수는 모든 생물들에서 발견되는 중요한 생화학적 화합물이라는 점은 분명히 우연한 일치가 아닐 것이다.

이 관찰을 가장 쉽게 설명하려면, 가장 원시적인 생물들을 구성한 유기화합물들이 환원성대기에 대한 전기방전의 작용으로 생성되었다고 가정하면 된다. 현대생물들은그들의 원시조상의 면모를 많이지니고 있음에 틀림없으므로 세포들이 왜 밀러가 그의 생성물 중에서 검출한 화합물을 그렇게 많이 함유하고있는지 이해할수 있는 것이다.

실제로는 상황이 더 북잡하다. 밀러의 연구는 원시지구상에서 일어났던 유기화학을 이해하려는 많은 노력을 유발하였다. 곧 환원성 기체 혼합물을 충분히 강하게 가열하거나, 자외선으로조사하거나, 혹은 어떤 형의 전기방전이라도 작용시키면 아미노산을 포함해서 비슷한 무리의 유기분자들이 생성됨을 발견하였다. 나아가서 기체혼합물이 환원성인 한, 그 혼합물의 조성은 중요하지 않음이 발견되었다. 메탄, 수소, 질소. 암모니아 및 수증기로 구성된 밀러의 혼합물은 예컨대 일산화탄소, 수소, 질소 및 수증기의 혼합물로 대치될 수 있다. 환원성 기체혼합물을 격렬하게 처리하기만 하면 언제나 아미노산들이 생기므로 이들이 원시지구 상에 존재했음을 결론내릴 수 있다. 지구 상에서 어느 에너지원이 가장 중요했는지는 알려져 있지 않지만,필자로서는 전기방전이 전생물적 생성에 주된 기여를 했다고 믿는다.

밀러의 창의성있는 논문이 발표된지 20년이 경과하는 동안, 보고된 다수의 전생물적 합성들중 어느 것에서 자연에 존재하는 거의 모든 아미노산들이 생성물로서 검출되었다. 반웅들 모두가 다 꼭같이 믿을만한 것은 아니냐, 만약대기가 환원성이었다면 20종의 천연 아미노산중 다수가 원시지구 상에 축적되었으리라는 것을 의심할 이유는 거의 없다.

지금까지 유리산소를 포함하는 대기나 이산화탄소, 질소및 수증기의 흔합물로부터는 아미노산을 얻을 수 없음이 증명되었다. 이것은 원시대기가 환원성이었다는 오빠린-흘데인 가설을 강력하게 지지한다는 점에서 매우 중요한 "부정적' 결과이다. 현존하는 대기와 같은 곳에서는 생명이 출발하지 뭇했을 것이다.

오늘날 모든 고등생물과 다른 대부분의 생물들이 완전히 산소에 의존하고 있으므로, 위와 같은 상황은 다소 역설적으로 보일지 모른다. 생명의 기원에 필요했던 그런 조건하에서는 단지 몇 종류의 박테리아와 다른 어떤 미생물들만이살아 남을 수 있다. 이것은 매우 인상적인 적응의 예이다.아마도 대부분의 생물들은 산소가 풍부해지자 그것을 사용하기 시작했고 얼마 후에 그것에 절대적으로 의존하게 되었을 것이다.이제 그들은 산소가 없는 환경에서는 잔존할 수 없게 되었다.

유기화학자가 놀라운 발견을 했을 때, 그의 첫 본능은 보통 이 사실이 전혀 놀라운 것이 아님을 증명하려는 것이다.그는 그가 발견한 새로운 사실들이 일반적으로 수락되고 있는 이론들과 부합하며, 아마 이들을 확장할지도 모른다는 것을 보이려고 노력한다.밀러는 곧 그의 생성물중 몇가지 아미노산들은 잘 알려진 과정에 의해 형성됨을 밝힐수 있었다.보고된 글리신의 첫 합성방법 중의 하나는 암모니아의 수용액에서 시안화수소와 포름알데히드를 가열하는 것이었다. 밀러는 시안화수소와 포름알데히드가 전기방전에 의해 생성되며 수용액에서 반응하여 글리신을 냄을 증명하였다. 따라서 밀러는 이미 잘 알려진 글리신의 합성을 되풀이한 것이며 단지 반응물들을 전생물적 조건 하에서 전기방전을 만들었을 뿐이다.

이 연구는 시안화수소에 주의를 집중하게 하였고 전생물적 화학에서의 다음번 주요 진전을 가능하게 하였다.오로(Juan Oro)는 포름알데히드나 이와 유사한 물질이 없이 시안화수소와 암모니아로부터 아미노산들이 생성될 수 있는지를 조사하고 있었다.그는 수용액내에서 암모니아와 시안화수소를 며칠 동안 가열하면 밀러가 발견한 것과 비슷한 아미노산들이 생성됨을 발견하였다.이에 첨가하여 그는 아데닌이 약 0.5%의 수거율로 얻어짐을 발견하였다. 보다 최근에는 일본에서 암모니아와 시안화수소로부터 아데닌을상업적으로 합성하는 방법이 개발되었다.

아데닌은 생물체내에서 에너지를 저장하는 ATP 분자일 뿐 아니라 정보를 저장하는 DNA의 넷 염기중의 하나이다.

물론 아데닌은 RNA와 DNA에 들어 있는네 염기 중의하나이다. 이것은 또한 생체에서 화학적 에너지를 저장하고 이용하는데 관여하는 중간체인 ATP의 성분이기도하다.아데닌의 구조는 매우 복잡하므로 이것이 간단한 반응에 의해 시안화수소로 부터 다량 생성될 수있다는 사실은 매우놀라운 일이다. 아데닌이 생화학에서 중심되는 위치를 점하는 것은 이 정도의 복잡한 분자로서는 원시지구상에 다량 생성된 소수의 유기화합물 중 하냐였기 때문이라는 결론을 내리지 않을 수없다.

다수의 중요한 생화합물들이 전생물적 조건 하에서 아주 쉽게 형성된다는 증거가 계속축적되었다. 지금까지 유전기구의 단위체 성분들의 거의 전부가 전생물적 조건 하에서합성되었다. 여기에서는 한가지 예만 더 들면 족할것이다. RNA에는 네개의 누클레오티드 염기들이 함께 존재하므로 이들은 원시지구상에서 비숫한 메커니즘에 의해 함께 형성되었을 가능성이 있을것이다. 그러므로시안화수소와 비숫한 중간체로부터 시토신(C)과 우라실(U)의 합성을 찾아 보았다.시토신의 구조를 조사해 보니, 시안화수소와 밀접히 관련된 기체인 시아노아세틸렌(cyanoacetylene)으로부터 출발하여 합성할수 있을 것 같았다. 사실상 이러한 결과가 나타났다. 어쨌든 시안화수소를 내는 거의 모든 전생물적 반응들에서 시아노아세틸렌이 풍부한 생성물이라는사실을 발견한 것은 놀라운 일이다. 예컨대 메탄과 질소에 전기방전을 작용시키면 시안화수소가 질소를 함유한 주된 생성물이지만 시아노아세틸렌 역시 상당량 생산된다.

지금까지는 유전계의 두 매우 다른 성분의 당인, 디욱시리보스와 리보스의 합성에 관해서는 언급하지 않았다.사실상 리보스의 전생물적 합성은 19세기에 러시아의 과학자 부들레로프(Alexander Mikhailovich Butlerov, 1828-86)에 의해 이뤄졌다. 부뜰레로프 반응에서는 포름알데히드를 백묵이나 석회와 함께 흔든다. 이처럼 매우 간단한 방법이 리보스를 포함하여당들의 복잡한 흔합물을 내는 것이다. 디옥시리보스는 이 방법을 수정하여 얻을 수 있다.

우리는전생물적 화학의 이 국면을 다음과 같이 요약할 수 있다. 탄소, 수소, 질소 및 산소를 포함하는 환원성기체 혼합물을 충분히 격렬하게 처리하기만 하면 작고 반응성이 큰 분자들의 비슷한 집단이 헝성된다. 이 분자들 중에는 포름알데히드, 시안화수소 및 시아노아세틸렌과 같은 중간체들이 포함되어 있다. 물과 암모니아가 존재하면 이 반응성이 있는 중간체들은 결합하여 보다 복잡한 유기분자들을 형성한다. 생성물 중에는 현대 생화학에서 중요한 분자들이 우연에 돌릴 수 있는 것보다 훨씬 많이 들어,있다.이 사실을 설명하기 위해서는 첫생물들은 고에너지원이 환원성대기에 작용하여 형성된 유기 화합물들로 부터 생겨났으며. 현대 생물들은 화학적 조성에 큰 변화없이 원시생물들로부터 진화한 것으르 가정해야 한다.

제14장에서 이 결론들을 뒷받침하는 새로운 증거가 예상외의 곳에서 나왔음을 보게 될 것이다. 천문학자들은 다량의 유기물질을 항유한 별 사이의 먼지구름을 발견하였다.처음으로 검출된 유기화합물은 가장 잘 알려신 세가지 전생물적 중간체인 포름알데히드, 시안화수소 및 시아노아세틸렌이었다. 이것은 어느 정도까지는 우연한 일치이겠으나 아마도 전생물적 합성에 대한 우리의 생각이 대체로는 옳다는 것을 나타내는 것이다. 전생물적 조건 하에서 무기물질들로부터 출발하여 생성된 유기분자들의 매우 다른 집단둘이 그렇게 많이는 존재할 수 없다.

L.E.Orgel,『생명의 기원』(The Origins of Life),소현수 옮김,전파과학사,8장

1) 간단한 기체혼합물로부터 유기분자들이 생성되는데 관련된 화학은 여기서 다룰 수 없다.그 대신 한 예로서 한가지 반응,즉 질소와 메탄으로부터 시안화수소(HCN)가 생성되는 반응을 살펴보자.이것은 가장 중요한 전생물적 반응의 하나이다.

질소를 함유한 대기를 전기방전이 통과하면 분자들중의 많은 에너지를 흡수하여 한쌍의 원자들로 쪼개진다.

N₂ → 2N

질소분자들은 반응성이 약하나 질소원자는 다른 분자들과 쉽게 결합한다.특히 질소원자는 메탄분자와 반응하여 시안화수소를 낸다.

N + CH₄ → HCN + 3/2 H₂

따라서 시안화수소는 원시대기중에서 번개,화산,혹은 자외선에 의해 메탄과 질소로부터 충분히 생겨날 수 있다.

시안화수소는 질소나 메탄과는 달리 물에 잘 녹는다.그러므로 원시대기중에 생긴 시안화수소는 모두 빗방울에 녹아 해양속으로 들어갔을 것이다.시안화수소는 반응성이 크므로 원시대기하에서 유기화합물의 형성에 중요한 역할을 한 것으로 생각되고 있다.(Orgel,『생명의 기원』,126-127)

[펌] 생명 기원물질, DNA 아닌 RNA

[사이언스] “생명 기원물질, DNA 아닌 RNA”

	관련특집 - 생명의 신비

DNA의 그늘에 가려 2인자 역할을 해오던 RNA가 최근 생명공학의 비밀이 조금씩 풀리면서 각종 생명현상의 핵심물질로 급부상하고 있다.

지난 50여년간 생명과학계에서는 사실상 DNA가 생명현상에 관여하는 독점적인 물질로 알려져 있었다. DNA는 생명유지에 필요한 각종 단백질을 만드는 데 필수적인 정보를 제공하는 것은 물론 유전현상을 결정하는 물질로 이제 ‘생명공학=DNA’로 인식할만큼 대중화됐다. 하지만 최근 RNA가 DNA보다 생명현상의 여러 단계에서 더욱 다양한 역할을 한다는 것이 속속 밝혀지면서, RNA가 생명의 기원 물질일지도 모른다는 이론도 강력히 제기되고 있다.

얼마 전까지는 생명의 기원물질을 DNA나 단백질로 생각했었다. 그러나 RNA가 복제는 물론 경우에 따라 단백질을 합성할 수 있는 기능도 가진다는 사실이 밝혀지면서, RNA가 생명의 기원물질이었을 것이라는 주장이 설득력을 얻고 있다.

비밀스런 베일에 가려져 있던 RNA를 가만히 들여다 보면, RNA가 생명체에 얼마나 많은 영향을 미치고 있는지 알 수 있다.

우선 화학적 구조면에서 DNA와 RNA는 사촌관계이다. DNA나 RNA는 모두 ‘뉴클레오티드’라는 물질을 기본 단위로 구성된 사슬이다.

지금까지 가장 잘 밝혀진 RNA의 기능은 ‘정보전달자’의 역할이다. DNA는 단백질을 만드는 데 필요한 정보인데, 직접적으로 단백질 생산에 관여하기보다는 RNA를 매개체로 사용한다. 즉 DNA에 있는 유전정보가 RNA에 인쇄되고, 이렇게 인쇄된 정보가 단백질을 만드는 주물 (鑄物)역할을 한다. 이처럼 정보전달자 역할을 하는 RNA를 메신저-RNA(mRNA)라고 부른다. 실제로 단백질을 만드는 과정에는 또 다른 종류의 RNA(tRNA)가 작용하는데, 이것은 단백질합성에 필요한 아미노산을 데리고 오는 ‘도우미’ 역할을 한다.

또 건물의 뼈대와 같은 역할을 하는 RNA(rRNA)도 있다. DNA로부터 정보를 받은 mRNA는 리보좀이라 불리는 거대한 ‘생명체공장’에 들어가고, 이 ‘생명체공장’에서는 mRNA에 적혀있는 순서에 따라 tRNA가 데리고 오는 아미노산을 연결시켜 단백질을 만든다. rRNA는 이 공장이 제 모양을 갖추는 데 필요한 골조 역할을 한다. RNA는 DNA의 복제과정에도 필요하다. 조그만 RNA 조각이 DNA에 달라붙어야 DNA가 제대로 복제될 수 있다.

많은 사람들은 게놈이 DNA로만 구성돼 있는 것으로 알지만 RNA로 만들어진 경우도 있다. 대표적인 사례가 바이러스의 게놈이다. 최근 유행하던 눈병을 일으키는 바이러스 중 상당수가 ‘엔테로바이러스’인데, 이 바이러스의 게놈은 RNA로 구성돼 있다. 종류는 다르지만 에이즈 바이러스ㆍ홍역ㆍ인플루엔자의 게놈에도 RNA가 포함돼 있다. 일반적으로 RNA를 게놈으로 갖는 바이러스들은 변이가 심하고 내성이 쉽게 생겨나는 경향이 있다.

RNA는 효소로서도 작용한다. 효소로 작용하는 RNA를 리보자임(ribozyme)이라고 부르는데, 이것은 RNA(Ribonucleic acid)와 효소(enZyme)의 합성어이다. 리보자임은 RNA의 특정 서열을 인지하여 그 부위를 자를 수도 있고 이어 붙일 수도 있다. 그래서 리보자임은 ‘분자 가위’라는 별칭을 가지고 있다.

이같은 RNA의 ‘분자가위성질’은 생체 내의 나쁜 RNA를 없애는 데 쓰일 수 있다. 실제로 암세포의 특정 RNA를 잘라서 암세포가 죽게 만들거나 암이 자라는 데 필요한 영양공급로를 차단하는 리보자임을 항암제(抗癌劑)로 개발하는 연구가 실용화단계에 있다. 또한 C형 간염 바이러스 게놈의 특정 부위를 인지해서 잘라내려는 항(抗)바이러스제 개발도 한창이다.

게놈프로젝트 연구결과, 생명과학자들은 인간의 유전자를 약 4만개로 추정하고 있다. 그러나 이 유전자는 게놈을 이루는 DNA의 약 3%에도 이르지 못하며, 나머지 부분은 그저 쓸모없는 DNA 조각인 것처럼 보였다. 하지만 지난 수년간의 연구 결과에 따르면, 단백질을 만들지 않고 RNA만을 만드는 새로운 유전자도 속속 발견되고 있다. 이러한 RNA들은 단백질ㆍDNA는 물론 다른 종류의 RNA 기능도 조절하는 역할을 한다.

	▲ 리보좀의 구조.A,P,E는 tRNA가 결합하는 장소.보라색은 단백질을,파란색은 RNA를 나타낸다.

이와같이 RNA는 생명체 내에서 정보전달자ㆍ건물뼈대ㆍ효소 등으로 기능함은 물론 유전정보의 복제ㆍ단백질 합성ㆍ유전자 발현 등 각종 생명현상에 적극적으로 개입하고 있음이 속속 밝혀지고 있다. 조만간 DNA와 사촌지간인 RNA가 비밀스런 베일을 벗고, 21세기 포스트 게놈시대의 총아(寵兒)로 등장할 것으로 전망된다.

◆ “RNA 40억년전 탄생…4억년뒤 DNA 등장”

생명의 기원을 과학적으로 추정하는 것은 매우 어려운 일이다. 40억년 전에 어떤 일이 있었는지를 가정하는 것도 힘들고, 그 가정을 실험적으로 증명하는 것은 더욱 어렵기 때문이다.

생명의 기원에 있어서 가장 중요한 이슈 중의 하나는 생명을 형성하는 데 기여한 시작물질이 무엇이냐는 것이다. 많은 사람들은 단백질·DNA들을 핵심적인 기원물질로 생각해왔다. 그러나 RNA의 다양한 기능이 밝혀짐에 따라 RNA가 DNA나 단백질보다 수억년 앞선 물질이었을 것이라는 주장이 강한 설득력을 얻고 있다.

일반적으로 과학자들이 현대 생물학과 화학을 근거로 추정한 ‘RNA와 DNA의 탄생과정’은 이렇다. 45억년 전쯤 지구가 생겨났고, 다이내믹한 지구 활동으로 3억년 후 각종 유기물질이 생겨났다. 이러한 유기물질들 간의 반응으로 다시 뉴클레오티드가 생겨나고, 이 뉴클레오티드들이 연결돼 RNA가 생겨났다. 그것이 약 40억년 전쯤으로 추정된다. 이 중 우연히 몇 개의 RNA가 자기 복제를 함으로써 이른바 ‘RNA 세계’가 시작됐다. 지금으로부터 38억년 전쯤의 일로 추정된다. 이 RNA들 중 일부는 뉴클레오티드를 계속 연결시켜 몸집을 불리며 다른 기능을 계속 획득한다. 예를 들어 단백질을 합성할 수 있는 기능이 추가된 것이다.

그러나 RNA는 태생적으로 불안정한 구조를 가지고 있기 때문에, 수명이 짧은 것이 흠이었다. 이때 RNA와 비슷하지만 보다 안정적인 구조를 지닌 DNA가 등장했다. 이때부터 오늘날 생명체의 핵심을 이루는 DNA와 단백질의 세계가 시작됐다. 지금부터 약 36억년 전의 일이다.

◇키워드

◆ 게놈(genome)은 문자적 의미로는 유전자(gene)와 염색체(chromosome)의 두 단어를 합성해서 만든 말이다. 생물학적 개념으로 게놈은 생물체에 담긴 유전정보 전체를 의미한다. 사람의 세포핵에는 23쌍(46개)의 염색체가 존재한다. 유전정보는 바로 이 염색체에 담겨 있다. 이 중 나선형의 DNA로 이루어진 23쌍의 염색체 세트에 담긴 유전정보를 총칭해서 게놈이라고 부른다.

◆ 인간게놈이라는 말은 사람의 종합적인 유전정보를 일컫는 말이다. 인간을 구성하고 있는 가장 작은 단위체는 세포다. 인간게놈은 3만~4만개의 유전자와 이를 구성하는 30억개의 염기로 구성돼 있다. 즉 인간게놈에는 사람의 생로병사(生老病死)에 관한 모든 정보가 담겨 있다고 할 수 있다.

◆ RNA(Ribose Nucleic Acid)는 리보핵산(核酸)이라고도 한다. RNA의 종류로는 rRNA(리보솜RNA), mRNA(전령RNA), tRNA(운반RNA) 세 가지가 있다.

◆ 아미노산(amino acid)은 모든 생명현상을 관장하고 있는 단백질의 기본 구성단위를 말한다.

<집필진>

▲김선영 교수 대표집필(서울대 자연대 생명과학부 교수, 분자유전학 전공, 96년 국내 첫 대학내 바이오벤처기업 설립)

▲황우석 교수(서울대 수의과대 수의학과 교수, 인공 임신학 전공,95년 소 수정란 복제 성공)

▲김 빛내리 교수(서울대 BK21 생명과학인력양성사업단 계약교수.서울대 미생물학과 졸업, 영국 옥스포드대 생화학과 박사)

source : http://www.chosun.com/w21data/html/news/200211/200211140272.html

[본문스크랩] Is this LIFE?

BY JACK LUCENTINI HORDES OF GREEN, SUB-MICROSCOPIC BALLOONS FLOAT in a watery mixture in Jack Szostak's laboratory at Harvard Medical School. They come in a variety of shapes: spheres, blimps, worms. And as Szostak examines magnified images of them, he can't help but notice a striking resemblance to bacterial ecosystems, pulsing with that fetid, yet undeniable quality that has eluded definition for generations - life. But these orbs aren't alive. The uncanny resemblance reflects the fact that these ersatz sacs may passably mimic the wrappings of primitive life: cell membranes. But infusing in them the real "stuff" of life requires more work. Lately, Szostak, a professor of genetics, has been putting simple RNA enzymes inside, showing that they can conduct their characteristic activities. Thus some of life's chemistry is compatible with artificial membranes, he says, something that required a careful tweaking of the membrane chemistry. He has also made the sacs grow spontaneously, and even divide - with help.1 "It's a simplified model of the situation we'd really like to have," says Szostak: a growing, dividing, living organism of totally synthetic origins. But even at present, he says, "These simple membrane systems do pretty fascinating things." 12 STEPS TO A NEW LIFE Ever since chemist Stanley Miller created organic compounds from simple building blocks like water, methane, and ammonia, the idea of creating life and thus peering into its possible origins, has fascinated biologists. David W. Deamer, professor emeritus of chemistry and biochemistry at the University of California, Santa Cruz, and a cadre of pioneers expanded the quest three decades ago, launching an attempt to build a "protocell." According to Deamer, such an entity must meet 12 requirements for life including having membrane enclosures (1) that can capture energy (2), maintain ion gradients (3), encapsulate macromolecules (4), and divide (5). Macromolecules must be able to grow by polymerization (6), evolve in a way that speeds growth (7), and store information (8). Add to that information store the ability to mutate (9) and to direct growth of catalytic polymers, and you have 10.2 In the past decade, Deamer says, individual labs have met each of these requirements but in quite different ways (see The Final Step(s)? for more discussion). With only two steps remaining, they might achieve a synthetic organism within this decade. Many of the people approaching this are engineers, sharing in the philosophy that one can't truly understand what one can't build. Albert Libchaber of Rockefeller University engineered a DNA plasmid to express proteins and put them into membranous sacs. They could produce proteins for a few hours but would eventually peter out when the raw materials ran low inside the compartment. They needed to keep the supply coming. So, he and Vincent Noireaux, now an assistant professor at the University of Minnesota, designed them to produce a channel-forming protein, alpha hemolysin.3 Suddenly, finished proteins tagged with Green Fluorescent Protein inserted themselves into the artificial membrane allowing nucleotides and other molecules to enter. These "cells" survive for up to four days, but it's only a small victory. In the quest to build life, defining success is hard, Libchaber says. Is it success simply to create a cell that functions? Or must it also reproduce? "I think in our case at least, the first step has been achieved." Next, he wants to make them divide, something that's only been done thus far through physical manipulation. Such is the focus of the remaining two steps, says Deamer. The cell must contain genes and enzymes that can be replicated (11), and they must be shared among daughter cells (12). "We don't have a way to make the entire system of catalysts, all growing together," that drives cellular reproduction, he explains. And, he adds, the final stretch may boil down to a single achievement. An enzyme that duplicates itself, such as a self-replicating ribozyme, might do the job, acting as both genetic material and the catalyst for replication. Roughly a dozen laboratories worldwide are working on it, Deamer says, and this has spurred major progress. DEFINING SQUARE ONE Progress has not simply been made through a single approach, of course. Others have been attempting to create artificial life by overhauling genetic instructions. For years, scientists have been approaching genomes and looking to strip out nonessential material. The J. Craig Venter Institute worked extensively with the bacterium Mycoplasma genitalium, using comparative genomics and mutation analyses to identify an estimated 265 to 350 core genes required for life. Hamilton O. Smith and collaborators plan to synthesize an entire artificial chromosome based on this "minimal genome," and insert it in pieces into a living cell. Using recombinational mechanisms from Deinococcus radiodurans (which famously reconstructs its entire genome after disruption by ionizing radiation) they will attempt to rebuild it, says Smith. Such so-called top-down approaches start with something that already works, says Mark Bedau, professor of philosophy and humanities at Reed College in Portland, Ore., and editor-in-chief of the journal Artificial Life. But bottom-up approaches such as those by Szostak and Libchaber may reveal "much more about what's possible," he adds, "because you're making everything from scratch." And starting from scratch provides significant opportunities, says Bedau: "You're not constrained by the historical accidents found in the existing forms of life." That could lead to life forms more like the first life thought to be on Earth, or even like life on other planets. Deamer says it will take a wide range of approaches, both top-down and bottom-up, to reach the goal that unites most researchers in the field: the drive to learn "what the scaffolding was that let this kind of a cell crawl out of the primordial ooze." THE GLOWING, GROWING HORDES: RNA, with red fluorescent dye adsorbs to the surface of a montmorillonite clay particle encapsulated by a fatty acid vesicle labeled with green fluorescence. This structure forms through a process of self organization mediated by the clay, and illustrates a possible pathway by which the precursors of the first living cells could have formed. Liaohai Chen, a molecular biologist at Argonne National Laboratory in Illinois, says that precisely because such a wide range of strategies is underway, it's not so easy to generalize about how far "protocell" research has gotten, nor what the final hurdle will be. "The hurdle is really project dependent," he says. Indeed, in attempts to create artificial life Chen along with Steen Rasmussen of Los Alamos National Laboratory have thrown out much of the conventions found in nature. They've turned the protocell model inside out, designing a micelle with information coding and metabolic machinery on its exterior.4 Extant thus far mostly on paper, these micelles use peptide nucleic acids (PNAs), DNA-mimics with a pseudopeptide backbone conjugated to a light-sensitive molecule. When exposed to light, the photosensitive chemical discharges an electron triggering chemical reactions to convert nearby nutrients into new fatty acids and PNA based on the PNA template. These incorporate into the micelle, which grows until it spontaneously pinches in half and divides. "Cell production is the area where would-be protocell-designers have made the least progress." -Pier Luigi Luisi

For now, these inventions exist mainly as computer simulations; real-life testing is only just

beginning. Rasmussen says the design's main advantage is its simplicity, which increases

the chances it will work. "[It's] probably not how the origin of life historically happened, but

it's the simplest thing we could come up with," he adds. "We're trying to understand why and

how matter can self-organize? and become living. What is it in nature that enables it to do

that? That's the deep question here."

Deamer calls it one of the most ambitious protocell designs: "[They're the] one group that

now is devoted to a true attempt to make a growing, reproducing cellular system." The team

has worked out a whole life cycle for its organisms, at least in simulation, and has a $5-

million grant from Los Alamos for the project.

But taking stricter lessons from nature, Tetsuya Yomo of the University of Osaka, Japan and

colleagues created a membrane-bound system exhibiting not only gene expression, but a

two-stage genetic cascade of events, in an attempt to capture some of the complexity of real

cells.⁵ Liposomes loaded with a bacterial plasmid and SP6 RNA polymerase drive the

production of a T7 RNA polymerase, which is needed to catalyze the transcription of a gene

for the mutant green fluorescent protein under the control of a T7 promoter. Surprisingly, the

system worked even without the addition of SP6.

Such work mines the divide between top-down and bottom-up approaches. In many projects,

says Bedau, "the design is determined from the top down, but the construction is still from the

bottom up."

CONQUERING DIVISION

Libchaber's plans to make a protocell reproduce borrow from, which he says requires only

five genes to divide successfully. One of these, FtsZ, makes a protein that polymerizes to form

the initial ring at mid-cell that pinches the membrane during cytokinesis. So far, Libchaber

says, his team has succeeded in getting the protein to polymerize on the membrane. The next

step will be "to play with combinations of phospholipid, so we can destabilize the membrane,"

he says; this would allow the compartment to divide more easily.

Cell reproduction is the area where would-be protocell-designers have made the least

progress, says Pier Luigi Luisi, a professor of biochemistry at the University of Rome 3. Bedau

says a self-replicating enzyme would help with this problem immensely. But on that front,

Bedau laments, "There hasn't been any real progress for a number of years, and not for lack

of trying."

In 2001, researchers used a ribozyme to catalyze not its own replication, but that of another

RNA template molecule.⁶ In principle this kind of activity would be good enough, Deamer says,

"as long as it made another ribozyme that could continue this process." But the molecule can

only copy a 14-nucleotide sequence and is itself hundreds of nucleotides long.

Looking at biology from the top-down might provide the information needed to create a minimal

cell that meets Deamer's strict set of requirements.

"Once you determine what the minimal gene set is, then you can possibly go ahead and try to

find out whether you can make minimal cells," reasons Dusko Ehrlich, research director at the

National Institute for Agricultural Research in France. Ehrlich led a team of researchers in a

study to identify the minimum set of genes in Bacillus subtilis.⁷ The group narrowed the

number down to 271 (see Hot Paper story). One "encouraging" finding, he adds, is that only

4% of the genes he identified had unknown functions, showing "we do know quite a bit about

a cell."

Luisi says he's following such studies closely, and will possibly use the results as a guide to

build cells from scratch. But 271 is still far too many genes for his liking. By infusing droplets

of commercially sold protein-expression solutions into liposomes, he has found that some

cellular functions can occur with a mere 80 genes or so. Reducing the system below 15

components might lead to something that could be made from the ground up, he proposes.

"The earliest cells may have contained maybe 10-15 components," he says. "Of course they

were limping. That's the challenge of the research," he adds - to rediscover "these limping

old-timers."

References

1. M.M. Hanczyc et al., "Experimental models of primitive cellular compartments

encapsulation, growth and division," Science, 302:618-22, 2003.

2. D. Deamer, "A giant step towards artificial life?" Trends Biotechnol, 23:336-8, 2005.

3. V. Noireaux, A. Libchaber, "A vesicle bioreactor as a step toward an artificial cell

assembly," Proc Natl Acad Sci, 101:17669-74, 2004.

4. S. Rasmussen et al., "Bridging nonliving and living matter," Artif Life, 9:269-316, 2003.

5. K. Ishikawa et al., "Expression of a cascading genetic network within liposomes," FEBS

Lett, 576:387-90, 2004.

6. W.K. Johnston et al., "RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-

templated primer extension," Science, 292:1319-25, 2001.

7. K. Kobayashi et al., "Essential Bacillus subtilis genes," Proc Natl Acad Sci, 100:4678-83,

2003.

8. T. Oberholzer et al, "Protein expression in liposomes," Biochem Biophys Res Commun,

261:238-41, 1999.

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