생명의 기원: 물질대사우선 이론에 대한 반대증거

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-01-11

미국 학술원의 학술지인 <Proceedings of National Academy of Sciences>에 발표된 새로운 연구논문은 생명의 기원은 RNA나 DNA와 복제가 필요없이 다윈의 진화의 능력을 갖고 있는 자기-촉진 입자의 시스템으로부터 시작되었다는 이론을 거부하는 주장을 제기했다 < Vera Vasasa et al. PNAS, January 4, 2010 DOI:10.1073/pnas.0912628107>. 바르셀로나 오토노마 대학 (Universitat Autonoma de Barcelona, UAB)의 유전학과 미생물학과의 연구자인 마우로 산토스 (Mauro Santos)가 참가한 이번 연구에서 연구자들이 ‘복합물 유전체 (compound genomes)’라 부르고 있는 분석법을 통해서 화학물 네트워크는 그 규모가 특정한 상태에 도달하거나 복잡성의 수준이 증가할 경우에 진화에 필수적인 성격을 갖고 있으며 만일 이러한 성격을 잃어버리기 되면 진화의 구성단위로 고려될 수 없다고 주장했다. 미국 국립 항공우주국 (NASA)는 생명체를 정의할 때 ‘다윈적 진화의 자기유지적 화학시스템 능력을 갖는 것’이라고 말하고 있다. 생명의 기원에 대한 이론은 두 가지 중요한 문제로 이루어져 있다: 한 가지는 다윈주의적 진화가 일어나는 근본적인 조건으로서 RNA와 DNA 복제인 유전학에 집중하고 있으며 다른 한 가지는 물질대사에 집중하고 있다. 이 두 가지 상황은 단순한 유기분자가 생물발생 이전과정 (prebiotic process)에 의해 형성되었다는 것이 유기분자가 무기물에 의해서 만들어지는 것을 보여준 밀러-유리 실험 (Miller-Urey experiment)에 의해 입증된 바 있다. 이 두 가지 이론의 차이점은 RNA와 DNA 분자의 복제는 그 복제를 가능하게 하는 입자고리를 생산할 수 있는 중합체 내에서 단량체 (monomer)의 적절한 결합을 필요하는 아주 복잡한 과정이라는 점이다. 지금까지 어떻게 이러한 과정이 일어나게 되었는가에 대한 타당한 화학적인 설명이 존재하지 않았다. 또한 두 번째 이론을 주장하는 사람들은 진화에 필요한 과정은 원시시대의 물질대사에 의거하여 일어난다고 주장하고 있다. 이 물질대사는 그 복합물 사이에서 고도의 상호촉진을 일으킬 수 있는 화학적 네트워크의 한 형태로 이들 복합물들은 궁극적으로 어떤 분자의 복제없이도 적응하고 진화할 수 있게 한다. 20세기 전반에 이 생명의 기원을 설명하기 위해 알렉산더 오파린 (Alexander Oparin)은 ‘물질대사 우선이론’을 제창했으며 최초의 원핵세포의 진화론적인 선조격인 코아세르베이트 (coacervates) 액체방울로서 세포의 원시적인 역할을 강화되었다고 보고 있다. 오파린 박사는 당시에 생명체에서 RNA와 DNA의 중요성에 대해서 확실하게 인식하지 않고 있었기 때문에 이들 입자에 대한 언급을 하지 않았다. 그러나 그는 자기복제를 입자 복합체의 군집적 성격으로 규정했다. 최근에 과학자들은 자신의 화학적 구성물에 대한 정보를 저장하여 후손들에게 전달하고 복제할 수 있는 화학적 구성물을 보여주었다. 이것은 ‘복합물 유전체’ 또는 ‘컴포좀 (composome)’이라 불리는 것이 된다. 다른 말로 하면 유전적 특징은 RNA와 DNA 입자에 저장되기 위한 정보를 필요로하지 않는다. 이 ‘복합물 유전체’는 다윈이전의 다이나믹스에서 최소의 원시세포로의 경로라고 생각되고 있는 진화 기본단위로 고려되는 것에 필요한 조건들을 만족한다. 그럼에도 불구하고 이번 연구에서 연구자들을 이러한 시스템은 다윈주의적인 진화를 겪을 수 없다는 점을 보여주었다. 처음으로 엄격한 분석을 통해서 수와 관련되고 분석적인 시뮬레이션과 네트워크 분석 근사치의 결합을 이용한 입자 네트워크의 이른바 진화에 대한 연구를 수행했다. 이들의 연구를 통해서 입자 복합물군의 동역학은 적절한 규모에 이른 뒤에 분화가 이루어지지 않았다는 점을 보여주었다. 그 이유는 이 과정에서 복합물은 다윈주의적 진화에 핵심적인 성격을 잃기 때문이다. 연구자들은 이 근본적인 ‘복합물 유전체’의 한계는 비록 물질대사 시스템이 RNA와 같은 원시적인 중합체가 진화할 수 있는 안정적인 서식지를 제공할 수 있음에도 불구하고 생명의 기원으로서 물질대사 우선이론에 대한 조심스런 접근이 필요하다고 결론을 내리고 있다. 연구자들은 다른 생물발생 이전 지구에 대한 시나리오가 고려될 수 있다고 말했다. 하지만 다윈주의적인 진화가 가능할 수 있는 시스템으로서 생명체의 기본적인 특성은 유전적인 정보가 최종적으로 저장되고 (RNA나 DNA와 같은) 뉴클레오티드 중합체에서 일어나는 정보전달이 일어날 때 시작되었다. 그림설명: ‘복합물 유전체’의 이미지. 다양한 색깔로 표현된 각기 다른 입자들이 작은구체 (globule) 또는 유리세포 (corpuscle)로 결합하여 일단 분화하게 되어 적절한 규모에 이르게 된다. 출처: <Science Daily> 2010년 1월 10일 원문자료: Vera Vasasa, Eors Szathmary and Mauro Santosa. Lack of evolvability in self-sustaining autocatalytic networks: A constraint on the metabolism-first path to the origin of life. PNAS, January 4, 2010 DOI:10.1073/pnas.0912628107 100108101433.jpg 출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2010/01/100108101433.htm