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`지구 생명체의 시작점`…`최초의 세포` 출현 고리 찾았다

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`지구 생명체의 시작점`…`최초의 세포` 출현 고리 찾았다
스크립스연구소의 비나 콜러리 박사, 아쇼크 데니즈 박사, 수닐 풀레티쿠르티 박사가 사진을 찍고 있다. 스크립스연구소 제공

약 40억년 전, 지구는 생명체가 탄생하기 적합한 환경을 갖춰가고 있었다. 당시 어떤 시점에 화학물질들이 결합해 세포의 전신인 원세포(protocell)가 만들어졌고, 이것이 생명체를 구성하는 세포로 발전했을 것으로 생각된다. 그런데 생명체의 시작점이 된 원세포가 어떻게 만들어졌는지는 베일에 싸여 있었다. 이 가운데 미국 연구진이 원세포 출현을 가능케 한 세포막 출현 경로를 찾았다.

4일(현지시간) 사이언스얼러트, 유레크얼러트(EurekAlert) 등 과학전문 매체에 따르면 미국의 대표적인 생명공학 연구소인 스크립스연구소 연구진은 지구 상 최초 세포 등장의 출발이 된 '원세포' 형성의 핵심인 '인지질 세포막'이 형성된 과정에 대한 연구결과를 국제학술지 'Chem'에 발표했다.

과학자들은 지구에서 생명이 탄생한 발단은 약 35억년 전 출현한 원세포이고, 오늘날의 다양한 생명체는 이 원세포에서 시작된 것으로 보고 있다. 원세포는 그 안에서 아미노산을 합성해 더 큰 분자로 만드는 작용을 했던 것으로 여겨진다. 후손 세포로 전달될 정보도 담고 있었던 것으로 생각된다. 그런데 이런 특성을 가지려면 원세포를 외부와 구분하는 세포막이 필수적이다.

한쪽은 물을 밀어내고 다른 쪽은 물을 당기는 긴 유기 분자인 지방산은 자연적으로 물 속에서 세포와 같은 독립된 공간을 형성할 수 있다. 이 때문에 지방산이 최초의 원세포 형성에 필요한 세포막의 필수 요소로 여겨진다. 그런데 원세포가 어떻게 지방산 구조에서 인산염이 들어간 이중층 구조로 바뀌었는지는 수수께끼였다. 스크립스연구소 연구진은 인산기가 분자에 추가되는 현상인 '인산화(phosphorylation)'라고 불리는 화학 과정이 생명 탄생과 연관해 이전 예상보다 더 일찍 발생했을 수 있다는 결론을 내렸다. 그 결과 구조적으로 더 복잡한 인지질 이중층 구조 세포막을 가진 원세포가 만들어졌다는 것이다. 오늘날 세포도 인지질 두개가 붙어있는 이중층 모양을 하고 있다.

`지구 생명체의 시작점`…`최초의 세포` 출현 고리 찾았다
원세포 같은 구조 안에 있는 소포의 이미지. <자료:스크립스연구소>

이번 연구를 주도한 라마나라야난 크리슈나무르티 스크립스연구소 화학과 교수는 "인산염이 이전에 생각했던 것보다 더 일찍 세포 같은 구조에 통합될 수 있었던 그럴듯한 경로를 발견했다"고 말했다. 현재 생명체 세포막은 인지질 두 개를 붙여 놓은 인지질의 이중층 모양을 하고 있다. 인지질은 글리세롤에 인산과 두개의 지방산이 결합된 물질인데, 세포막의 안과 밖은 머리 모양의 인으로 구성돼 있으며 수용성이다. 세포막 속은 두 가닥의 다리 모양을 가진 지질로 구성돼 있는데 지용성이다. 즉 세포막의 안과 밖은 인으로 구성된 수용성이고, 세포막 내부는 지질로 구성된 지용성이다.

연구자들은 원세포와 유사하면서 지방으로 둘러싸인 거품 같은 구조인 소포(vesicle)를 구성하는 화합물을 찾았다. 여기에는 지방산과 글리세롤이 포함됐다. 이어 이러한 혼합물의 반응을 관찰하고 새로운 혼합물을 만들기 위해 추가 화학물질을 추가했다. 이 용액을 밤새 반복적으로 냉각 및 가열하고 화학 반응을 촉진하기 위해 약간의 흔들림을 가했다. 그런 다음 형광 염료를 사용해 혼합물을 검사하고 소포 형성이 일어났는지 분석했다. 또 소포 형성 과정을 이해하기 위해 pH와 성분의 비율을 변경했다. 금속 이온과 온도가 소포의 안정성에 미치는 영향도 조사했다.

크리슈나무르티 교수 연구실의 박사후연구원이자 논문의 제1저자인 수닐 풀레티쿠르티 박사는 "소포는 실험 중에 지방산 구조에서 인지질 구조로 바뀔 수 있었다"며 "이는 40억 년 전에도 유사한 화학적 환경이 존재했을 수 있음을 시사한다"고 말했다. 지방산과 글리세롤이 인산화를 거쳐서 보다 안정적인 인지질 세포막 구조를 형성했을 수 있음이 밝혀진 것이다.

연구진은 "인지질이 화학적 진화 과정에서 어떻게 출현할 수 있었는지에 대한 그럴듯한 경로를 발견했다는 데 의의가 있다"고 밝혔다. 연구자들은 후속연구를 통해 원세포의 동적 움직임을 더 잘 이해하기 위해 일부 소포가 융합되고 다른 소포가 분열되는 이유를 연구할 계획이다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr


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