지구 생명 구성하는 단백질 발견

가장 기본되는 2개의 효소 드러나

지구상에서 생명을 창조하는 단백질은 무한히 다양해 보이지만, 그들 모두가 공통적으로 몇 가지 부분을 가지고 있다. 과학자들은 지구의 초기 단백질이 25억 년 전에서 35억 년 전 사이에 생성됐다고 생각한다.

럿거스 대학(Rutgers University) 과학자들은 미국 국립과학원회보(PNAS) 저널에 발표된 논문에서 지구상에 생명체가 나타날 때 최초로 어떤 단백질이 존재했는지를 발견했다고 발표했다. 생명의 기본을 이루는 빌딩블록(building block)을 발견한 것이다.

과학자들은 이 단백질이 오늘날 우리가 살아있는 유기체에서 화학 반응을 촉진하는 효소(enzyme)라는 분자의 작은 조각이라고 말했다.

특히 철을 유황에 묶는 효소와 DNA의 핵심 조각인 뉴클레오티드가 연결되도록 돕는 효소는 지구상에서 가장 오래된 효소 중 두 개라고 연구팀은 발표했다.

오늘날에도 여전히 작용하는 이 두 효소 조각은 생명의 구성 요소에서 핵심적인 부분이다. 그들은 단독으로 기능하지만, 현재 지구에 존재하는 광범위하고 정교한 단백질 구조물을 건설하는 기본 요소라는 것.

초기 단백질의 접힘(fold) 을 보여주는 그래픽. © 럿거스 대학

자동차의 너트와 볼트 같은 기본 요소 찾아내

초기에 세포 형태의 생명체가 존재하기 전에는, 전자를 밀어내서 먹거리를 에너지로 변형시키는 효소가 있었다. 그 과정이 생명체에 필수적이기 때문에, 난다 교수 연구팀은 그러한 과정에 필수적인 효소를 조사하고, 그 효소가 더 기본적인 성분을 가지고 있는지 알아보았다.

연구팀은 글로벌 데이터베이스에 들어있는 단백질을 검사하여 이를 가장 작은 기능성 조각으로 분해했다. 이후 다양한 대형 구조물에 걸쳐 나타난 몇 가지 구성요소를 찾아보았다. 이는 마치 자동차 부품 중 볼트와 너트를 찾는 것과 유사한 과정이다.

난다 교수팀이 가장 흔한 효소 조각이 드러나는 지도를 만들었을 때, 철을 묶는 효소와 DNA 조각을 연결하는 효소가 결국 지도의 중심에 있음을 발견했다. 이는 다른 효소들이 어떤 기능을 발휘하기 위해서는 이 핵심적인 2개의 효소가 필요했다는 것을 의미한다. 결국 이 2개 효소는 지구에서 생명체가 나타날 때 가장 먼저 나타나는 부분일 가능성이 가장 높다.

럿거스 대학 팀은 초기 신진대사의 첫 번째 구조일 가능성이 높은 두 가지 단백질 ‘접힘’에 초점을 맞췄다. 철-황 화합물을 묶는 페레독신(ferredoxin) 접힘과 뉴클레오티드(DNA와 RNA의 구성 요소)를 묶는 로스만(Rossmann) 접힘이다. 이것들은 생명의 진화에 꼭 들어맞아야 할 퍼즐의 두 조각이다.

단백질은 아미노산의 사슬이며 공간에서 사슬의 3차원 경로를 폴드라고 한다. 페레독신은 현대 단백질에서 발견되는 금속으로 전자를 세포 주위로 순환시켜 신진대사를 촉진시킨다. 전자는 고체, 액체, 가스를 통해 흐르며, 생명 시스템에 전력을 공급한다. 생명체를 지탱할 수 있는 기회를 가진 다른 행성에도 동일한 전기력이 존재해야 한다.

초기 지구 환경 조건에도 맞아

지구의 초기 조건은 이 연구 팀의 결론에 힘을 실어준다. 예를 들어, 지질학자들은 초기 바다가 철로 가득 차 있다고 생각한다. 그러므로 초기의 핵심 효소가 철과 작용한다는 것은 타당하다고 판단할 수 있다.

바다는 철을 잃었기 때문에, 생명체는 구리와 니켈과 같은 다른 금속, 즉 연구팀의 효소 지도 주변에 나타나는 물질들과 함께 일하는 법을 배워야 했다.

이 효소 조각들이 스스로 작용할 수 있는지 알아보기 위해 난다 교수팀은 효소 조각들을 모아 실험했다. 난다 교수는 “처음에는 이것이 효과가 있을지에 대해 회의적이었다”고 말했다. 효소를 만들어서 조심스럽게 다뤄야 효소가 작용할 것 같았기 때문이다.

그러나 이 효소들은 실험실에서 혼자 전자를 움직이는 데 능숙하고 강인해 보였다. 어떻게 보면, 이것은 일리가 있다. 난다 교수는 “만약 당신이 초기 해양의 바위 표면에 있는 작은 펩타이드인데, 당신을 보호할 세포가 없다면, 살아남기 위해 강인해야 한다.”고 설명했다.

연구진은 이 효소가 현재 더 크고 복잡한 효소, 너트와 볼트로 만들어진 완전한 자동차로 진화했다고 생각했다. 왜냐하면 생명은 더 복잡해지고 단백질은 점점 더 많은 분자와 소통해야 했기 때문이다.

이런 기본적인 조각들이 생명체로 발전하는데 필수적이라면, 다른 곳에서 생명체를 찾을 때 발견될 것이다. 이 빌딩 블록을 찾는 것은 연구자들이 태양계를 가로질러 생명체를 찾을 때 무엇을 찾아야 하는지 아는 데 도움이 될 수 있다.

“우리는 생명체가 매우 작은 구성 요소에서 만들어졌으며, 이 구성요소가 레고처럼 조립되어 세포와 더 복잡한 유기체를 만들었다고 생각한다”고 논문 수석 저자인 폴 팔코스키(Paul Falkowski) 교수는 말했다.

팔코스키 교수는 “우리는 궁극적으로 세포, 동물, 식물의 진화를 이끈 레고 조각 같은 생명의 구성 요소를 발견했다고 생각한다.”고 말했다.

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