남홍길 교수 등 한-미 연구진
‘물방울 진기한 효과’ 잇단 보고
생명현상 이해의 새로운 단서로
‘RNA 가닥까지 생성?’ 실험중
물이 0.001㎜ 방울로 작아질 때
효소 없이도 생화학 반응 저절로
태초 RNA도 물방울에서 만들어졌을까
최근 이런 연구 결과들을 <미국국립과학원회보>(PNAS)에 잇따라 발표한 남홍길 기초과학연구원(IBS) 식물노화수명연구단장 겸 대구경북과학기술원(DGIST) 교수 연구진과 리처드 제어 미국 스탠퍼드대학 교수 연구진은 2009년부터 생체 분자들의 화학 반응을 물방울 모형을 통해 실험하고 관찰하는 연구를 계속해왔다. 그동안 이들은 물방울에서 이전에 몰랐던 어떤 현상을 보았을까?
분사된 물방울에서 RNA 구성분자 생성
지난해 10월 연구진은 초미세 물방울에서 세포 생존에 필수적인 인산화라는 생화학 반응이 저절로 일어나는 것을 관찰해 학계에 처음 보고했다. 인산화는 인산이 다른 분자와 결합하는 반응을 말하는데, 이전까지는 세포 밖에서 자연적으로 일어나는 인산화 반응이 관찰된 적이 없다.
남 교수는 “인(P)은 인산화 반응을 통해 디엔에이(DNA)와 아르엔에이 가닥의 골격을 만들며 에너지 생성과 신호전달에도 필수적인 생명의 기본 요소”라며 “리보스(오탄당)와 인산이 물에선 반응하지 않지만 둘을 섞은 물을 모세관으로 분사하자 마이크로 물방울에서 둘이 결합하는 인산화 반응이 일어나 처음엔 깜짝 놀랐다”고 말했다. 물방울의 효과인 셈이었다.
당연히 물방울 효과는 지구 생명의 기원 문제와 관련해 주목받았다. 38억~40억년 전 지구에서 태초의 유전물질이었을 아르엔에이가 흔한 물방울에서 생성됐을 가능성을 보여주기 때문이다. 공동연구자인 제어 교수는 전자우편에서 “태초에 어떤 일이 일어났는지는 누구도 확인할 수 없지만, 비생명에서 어떻게 생명이 생겨났는지의 퍼즐 그림을 맞추는 한 조각이 될 만한 연구”라며 그 의미를 덧붙였다.
최근 논문은 한 걸음 더 나아갔다. 이번엔 1기압과 상온 상태에서 인산, 리보스, 염기를 섞은 물을 분사해 초미세 물방울 환경을 만들었더니 거기에서 생화학 반응이 일어나 아르엔에이의 구성 성분으로 염기-리보스의 결합물인 리보뉴클레오시드 4종(우리딘, 아데노신, 시티딘, 이노신)이 모두 다 만들어졌다고 연구진은 보고했다. 여기에 인산까지 붙는다면 아르엔에이 가닥이 만들어질 수 있다.
남 교수는 “염기들이 이어붙은 아르엔에이 가닥 구조물까지 마이크로 물방울에서 과연 자발적으로 만들어질지를 확인하는 것도 후속 실험들 중 하나”라고 설명했다.
지금 지구처럼 태곳적 지구에서도 구름, 안개, 파도에서 흔히 볼 수 있었을 초미세 방울에 특정 성분들이 담기고 조건이 갖춰지면 아르엔에이 가닥도 저절로 만들어질 수 있다는 근거를 실험에서 보여준다면, 지구 생명의 기원에서 마이크로 물방울이 중요한 역할을 했으리라는 가설은 더욱 힘을 얻을 것으로 보인다.
이런 물방울 연구가 시작된 건 2009년 무렵이었다고 한다. 남 교수는 “세포 안에서 특정 분자들의 반응이 어떻게 일어나는지를 단순한 모형에서 따로 떼어내어 관찰하기 위해 물방울 분사 실험을 시작했다”며 “그런데 마이크로 물방울에선 반응이 수천 배나 빠르고, 게다가 생화학 반응이 자발적으로 일어나는 걸 보고서 모두 고무돼 물방울의 생화학 반응 실험을 계속해왔다”고 말했다.
그냥 물속에서 생화학 반응은 오히려 방해를 받는다. 그런데 그 물이 쪼개져 초미세 물방울이 되면 왜 생화학 반응은 자발적으로 일어날까? ‘작음’ 자체가 어떤 효과를 만들어낸 걸까?
연구자들은 아직 물방울 효과가 왜, 어떻게 일어나는지를 명확하게 밝혀내진 못했다. 그렇지만 몇 가지를 조심스럽게 추정하고 있다.
“비커에 든 물 1리터의 표면적은 1㎡에 턱없이 모자라지만 그 물이 마이크로미터 지름의 물방울이 될 때 표면적을 모두 합하면 대략 축구장 절반인 3000㎡에 달한다. 물과 공기가 접하는 면에서 반응이 일어난다고 보면 반응 속도는 비커의 물에 비해 수천 배나 빨라지는 것이다. 또한 물방울 표면 안팎에는 강한 전기장이 형성된다. 몇 가지 요인들이 물방울 자체를 ‘촉매’처럼 만들어준다고 생각한다.”(제어 교수)
마이크로 물방울에선 생체 분자가 독특하게 움직인다는 점도 발견됐다. 식물노화수명연구단의 이상문 연구위원은 물방울의 현미경 사진을 컴퓨터 화면에 띄워 보여주었다.(사진) 형광 분자를 붙인 혈장단백질들이 물방울 안에서 표면 쪽으로 쏠려 물방울의 가장자리가 빛나고 있었다. 그는 “물방울이 작아지면 표면 안팎에 전기장이 생기고 다른 표면 효과도 있기 때문에 분자들의 행동도 달라진다”며 “물방울 구조가 생물학적 현상에 어떤 영향을 끼치는 것”이라고 말했다. 그는 물방울 안 생체 분자들의 행동 특성을 논문으로 발표할 예정이다.
“생로병사 세포도 일종의 작은 물방울”
물방울 연구자들은 “세포도 일종의 초미세 물방울”이라는 말을 자주 한다. 세포의 크기가 마이크로 물방울과 비슷한데다 세포도 대부분 물로 이뤄져 있기 때문이다. 그래서 이들이 실험 대상으로 삼은 물방울은 세포의 모형인 셈이다.
연구진은 물방울 연구가 노화와 죽음이라는 생명 현상을 이해하는 데 새로운 시각과 이해를 가져다줄 것으로 기대하고 있다.
남 교수는 “세포에서만 일어난다고 생각했던 생화학 반응이 비생명인 물방울에서 자발적으로 일어난다는 것은 이전에 알지 못했던 새로운 현상으로, 세포 수준에서 볼 때 생명과 비생명의 경계가 대체 무엇인가라는 근본 물음까지 던져준다”고 말했다. 그는 “그동안 노화와 죽음을 주로 유전자 차원에서만 보아왔지만 유전자엔 아무 문제가 없더라도 세포가 처한 물리·화학적 상태에 따라 생명 현상이 달라질 수 있을 가능성을 물방울 실험이 보여준다”고 덧붙였다.
마이크로 물방울에서 효소나 생체 에너지 없이도 나타나는 작용이 실제의 세포 안에서 효소의 도움 없이도 일어나고 있는지를 확인하는 연구는 물방울 연구자들의 중요한 관심사가 됐다. 또한 생명과 비생명의 경계를 오가는 물방울의 후속 연구들에서, 지구 생명의 기원과 같은 수수께끼에 대한 새로운 과학적 설명을 얻을 수 있을지도 대중적인 관심사다.
대구/오철우 선임기자 cheolwoo@hani.co.kr
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