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화학 / 바이오 / 환경

번호 : 1079 작성자 : master  쪽지보내기 작성일 : 2012-01-24 조회수 : 1629
제목 :

DNA나 RNA보다 선행하여 발생한 유전물질의 존재가능성

생명으로 가득찬 화학적 세계에서 한 쌍의 핵산 ?DNA와 RNA-는 최고의 위치를 점유하고 있다. 유전자 부호를 갖고 있는 입자로서 DNA와 RNA는 자신을 재생산하는 지구상의 모든 생명체에 존재하고 있을 뿐 아니라 생명체 시스템에 있어서 절대로 필요한 무수한 단백질을 만들어낸다. 하지만 아리조나 주립대학 (Arizona State University)의 바이오디자인 연구소 (Biodesign Institute)사의 진화의학 및 인포머틱스 센터 (Center for Evolutionary Medicine and Informatics)의 연구자인 존 차푸트 (John Chaput)는 진화역사에서 항상 DNA와 RNA가 그렇게 중요한 역할을 했던 것은 아니었다고 주장했다.

차푸트의 연구팀은 지구에서 최초의 생명체의 가설적인 명멸에 대해 연구하고 있으며 우리에게 익숙한 유전입자에 대한 다양한 대안들을 조사했다. 이러한 화학적 후보자들은 지구에서 최초의 생명체가 시작되었을 때에 대한 아직까지 모호한 비밀을 풀려는 연구자들에게는 매력적인 분야이다. 그 이유는 원시 입자들이 지구의 생명발생이전 기간에 발생했을지도 모르기 때문이다. RNA와 DNA 이전의 존재했을지도 모르는 유전적 선구입자를 찾아내기 위한 한 가지 접근법은 화학적 구성에서 있어서 약간은 차이를 보이는 다른 형태의 핵신을 조사하는 것이다. 이 입자는 자기구성적 특징을 가지고 있으며 재생산능력을 갖고 있을 뿐 아니라 생물학적 기능을 위해서 유용한 모양을 형성할 수 있는 능력을 가지고 있다.

차푸트에 의하면 초기 유전물질을 담고 있는 역할을 한 흥미로운 유전물질은 우리가 익숙한 유전물질 이전에 존재했을 것으로 생각되는 생명체 발생이전에 존재했던 RNA로 알려진 입자이다. 핵산은 DNA와 RNA을 형성하는데 있어서 유사한 물질이지만 TNA는 그 구조에 있어서 당분의 구성에서 차이가 존재하며 디옥시리보스 (deoxyribose, DNA에 존재)나 리보스 (robose, RNA에 존재)보다는 트레오스 (threose)를 그 뼈대로 사용한다. 최근 학술지인 ‘Nature Chemistry’지에 발표된 논문에서 차푸트의 연구팀은 많은 양의 무작위적 염기서열에서 기능성 TNA 입자의 다윈주의적 진화를 묘사하고 있다. 이러한 접근법은 DNA나 RNA 또는 이와 유사한 구조적 입자에 대해 이러한 방법론을 적응한 첫 번째 사례가 되고 있다. 차푸트는 “이번 연구의 가장 중요한 발견은 RNA가 매우 친근성을 갖고 있거나 특정성을 갖고 있는 표적에 결합할 수 있는 복잡한 형태를 형성할 수 있는 TNA에 대해서 보여주고 있다”고 말했다. 이러한 특징을 통해서 앞으로 초기생명체를 유지할 수 있는 기능을 갖고 있는 TNA로 진화할 수 있는 가능성이 있을 것이다.

지구상 거의 모든 조직은 DNA를 이용하여 유전자에서 유전정보를 부호화할 수 있으며 RNA로 복제될 수 있다. 폴리머라제 (polymerases)로 알려진 특별한 효소의 도움을 이용해 RNA는 아미노산을 구성하여 핵심적인 단백질을 형성한다. 놀랍게도 이 유전부호의 기본적 기능은 동일하게 남아있으며 이 조직이 35억년 전에 DNA에 기반한 미생명체의 공통조상인지 여부인지를 알아보았다. 그럼에도 불구하고 이러한 조상은 그 때까지 상당히 복잡했으며 일부 과학자들은 자기복제의 초기형태에 대해 가설을 주장하고 있다. DNA가 생명체의 청사진을 만들 수 있는 지배적인 역할을 하기 전에 좀더 단순한 유전자가 RNA에 의해 지배되었다는 주장이 제기되고 있다. 이 RNA 가설은 리보핵산 (RNA)가 유전정보를 저장하고 DNA와 RNA 그리고 단백질이 오늘날 생명체에 대해서 결합된 시스템을 형성되기 전에 단백질 효소와 같이 화학적 반응을 촉매하는 역할을 했다고 보고 있다. 이 상징적인 DNA 이중나선이 뉴클레오티드의 두 개의 상보적인 가닥에서 형성되어 나선형 계단에 대해서 염기쌍으로 서로 결합하는 반면에 RNA는 단일가닥으로 형성되어 있다. 두 개의 핵산 DNA와 RNA는 각각 입자의 당-인산염의 등뼈를 형성하는 당분 복합체의 형태에 따라 이름이 붙여졌다.

그렇다면 좀더 단순하고 자기복제를 할 수 있는 입자가 RNA에 대한 전구입자로 존재했는지 그리고 지구의 초기 생명조직에 유전적 물질을 제공할 수 있었는가? 차푸트가 핵산 TNA를 가지고 수행한 실험은 매혹적인 사례가 된다. 시작부터 TNA는 테트로스 당분 (tetrose sugars)을 이용한다. 이 구조에서 네 가지 탄소고리의 비율에 따라 이름이 붙여졌다. 이 구조는 DNA와 RNA에서 발견되는 다섯 개의 탄소인 펜토스 (pentose) 당분보다 더 단순하고 생명체가 발생하기 전 지구에서 두 개의 동일한 탄소단편으로부터 쉽게 구성될 수 있다. 이러한 구조적 단순함에서 얻을 수 있는 혜택은 DNA와 RNA와 그 결합행위에서 상호 모순적이라는 이유로 TNA에게는 아킬레스건이 되고 있다. 하지만 놀랍게도 이번 연구를 통해서 TNA의 단일 가닥은 실제로 왓슨-크릭의 염기쌍 (Watson-Crick base pairing)에 의해 DNA와 RNA가 결합할 수 있다는 사실을 보여주었다. 이것은 TNA가 궁극적으로 생명체에 지배적인 형태가 된 우리에게 익숙한 핵산과 정보를 공유할 수 있는 이전단계의 입자로 존재했을 것이라는데 매우 중요하다.

이번에 발표된 연구에서 차푸트의 연구팀은 유전적 생명입자로서의 TNA의 잠재성을 조사하기 위한 입자의 진화로 알려진 접근법을 이용했다. 이러한 연구는 자기복제나 돌연변이 그리고 선택과 같은 다윈주의적 진화의 근본적인 특징이 비생명 화학물질에서도 작동할 수 있다는 점을 주장하고 있다. 이러한 기술을 TNA로 확장하는 것은 무작위적인 DNA를 TNA로 번역할 수 있는 폴리머라제 효소를 필요로 한다. 일단 이러한 TNA가닥의 자원이 형성되면 선택과정을 통해서 주어진 기능을 할 수 있는 요소를 성공적으로 찾아내면 그 나머지로 확장될 수 있다. 테스트 사례로서 이 연구팀은 입자 진화를 통해서 생산할 수 있기를 바라면서 TNA 가닥은 매우 특화되고 매우 가까운 인간단백질인 트롬빈 (thrombin)에 대한 결합 수용체로서 작동할 수 있는지 여부를 보는 것이다.

연구자들은 TNA 뉴클리오티드가 DNA의 무작위적인 염기서열에 대해서 상호보완적인 염기쌍에 의해서 결합되어 DNA-TNA 결합가닥을 형성할 수 있다는 것을 보여주고 있다. DNA 폴리머라제 효소는 이 과정을 도와준다. 하지만 이러한 무작위적 염기서열 중에서 많은 부분이 DNA가 RNA로의 전사를 멈출 수 있는 구아닌 뉴클리오티드의 반복된 부분을 담고 있다. 일단 무작위적 DNA 라이브러리가 구아닐이 배제된 채 형성된다면 DNA-TNA 하이브리드 가닥의 상당히 많은 부분이 생산된다. 이 염기서열은 그 길이상 70개 뉴클리오티드를 얻게 되며 이 정도의 길이는 정의된 결합지점에서 그 형태가 형성될 수 있게 한다고 차푸트는 말했다. DNA-TNA 하이브리드는 표적 입자인 트롬빈과 함께 배양하게 된다.
표적에 결합되는 염기서열을 다시 찾아내었고 PCR을 통해 증폭시켰다. 그리고 이 DNA부분은 제거되고 좀더 증폭을 위한 주형으로 사용된다. 반면에 TNA 입자는 매우 가깝고 특정화된 결합특성이 유지되는 것으로 나타난다. 또한 진화되고 선택된 TNA 입자의 결합 긴밀성은 긴밀성이 없는 다른 일상적인 단백질에 대해서 테스트를 하게 되었다. 이 과정에서 매우 특정하게 결합되는 입자는 이 그룹의 진화과정에서 나타나는 사례를 강화시키게 된다.

차푸트에 의하면 생명체 발생이전의 리보스 당분의 합성과 비효소성 RNA의 복제에 대한 고려는 초기 유전적 시스템의 상황적 증거는 원시적인 지구환경에서 좀더 생산될 수 있다고 주장했다. 비록 생명체 발생 이전의 지구에서 TNA가 RNA의 전구물질로 작동한 강력한 증명은 아마도 어려울 수 있지만 차푸트는 이 입자를 강력한 후보물질로 보고 있으며 정보를 저장하고 선택과정을 일으키고 복잡한 기능을 형성할 수 있는 삼차원적 구조로 전환될 수 있다고 생각하고 있다. 이 연구결과는 TNA를 초기 유전자 시스템으로 조사할 수 있는 동기를 부여하고 있다. 차푸트는 TNA의 생명체 발생이전의 합성에 대한 주요 문제와 그 기원에서의 역할과 지구상에서 생명체의 초기 진화 및 RNA에 의한 궁극적인 유전적인 지위획득이 시간이 지남에 따라 해결될 수 있을 것이라고 낙관적으로 보고 있다.


출처:한국과학기술연구원

원본출처: sciencedaily.com
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