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- 서로 다른 박테리아와 고세균에 대한 유전적, 생화학적 비교로 원시 세포의 대사 재구성
- 최초의 세포가 신진대사를 위해서는 열, 수소, 암모니아, CO2만 필요
- 402개의 네트워크로 연결된 반응의 에너지 균형을 조사
- 1차 신진대사는 생명의 첫 시작을 위한 내부 에너지원 역할. 빛 대신 화학에너지

첫 번째 세포는 빛도 공기도 필요하지 않았다.
연구원들은 원시 세포와 그 에너지원의 대사를 재구성했다. 

원시 수프로 돌아가기:
과학자들은 최초의 세포에 이미 존재했던 대사 반응과 에너지를 얻은 곳을 재구성했다.
특정 조건에서 402개 기본 반응의 많은 부분이 추가 에너지 입력 없이 발생한다는 것이 밝혀졌다. 최초의 세포가 신진대사를 위해서는 열, 수소, 암모니아, CO2만 필요했으며 오늘날에도 여전히 해저의 뜨거운 알칼리성 굴뚝에서 이러한 예를 찾을 수 있다. 

▲ 최초의 세포가 신진대사를 위해서는 열, 수소, 암모니아, CO2만 필요했다.

지구상의 첫 생명이 어디서 어떻게 생겨났는지 아직 밝혀지지 않았다.
아미노산, 핵산 염기, RNA 및 DNA와 같은 생명의 첫 번째 구성요소가 어느 시점에서 형성되었다는 것은 분명해 보인다. 첫 번째 효소는 나중에 추가됐다. 이러한 구성요소로부터 최초의 유기체의 신진대사는 작은 소포 또는 기공에서 먼저 발생했으며, 그다음에는 38억 년 전에 최초의 실제 세포에서 발생했다.

402개 원시 반응

이 원시 세포의 대사는 어떤 반응으로 이루어졌을까?
그는 어디에서 에너지를 얻었을까?
뒤셀도르프에 있는 하인리히 하이네 대학의 제시카 빔머와 그녀의 동료들은 이제 가능한 답을 찾았다. 서로 다른 박테리아와 고세균에 대한 유전적, 생화학적 비교를 통해 원시 세포의 대사를 재구성하는 데 성공했다.

팀은 혈통과 생활 방식의 차이에도 불구하고 조사된 모든 미생물 세포에서 발생한 402개의 반응 네트워크를 확인했다. 이러한 대사 경로는 아미노산, 단백질, 유전 물질 및 기타 필수 분자의 생산 및 처리에 사용된다. 이를 위한 원료로 원시 반응 네트워크는 수소, 이산화탄소, 암모니아와 같은 단순한 출발 물질이 필요하다.

Wimmer와 그녀의 팀에 따르면 이것은 최초의 원형 세포와 세포가 이미 이러한 대사 경로를 사용했음을 시사한다. 따라서 기본 반응경로는 생명의 시작부터 보존될 수 있었다.

▲ 각 원은 402개의 원시 대사 반응 중 하나를 나타내며 색상은 에너지 균형을 나타낸다. 녹색 반응은 에너지를 방출하고 보라색은 외부에서 추가 에너지가 필요하다. © Jessica Wimmer/ HHU

컴퓨터 모델로 본 원시 수프

그러나 이것은 이러한 초기 대사 반응이 어디서 에너지를 얻었는지에 대한 질문을 제기한다. "40억 년 전에는 오늘날의 세포에서 반응을 촉매하는 효소가 존재하지 않았다"고 Wimmer는 설명한다. “오히려 반응은 그 당시 환경에서 스스로 일어날 수 있어야 했다.”
따라서 연구자들은 컴퓨터 모델의 도움을 받아 402개의 네트워크로 연결된 반응의 에너지 균형을 조사했다.

그러나 반응은 추가 외부 에너지를 흡수하지 않고 자발적으로 발생하는지 환경 조건에 따라 다르다. 따라서 팀은 출발 물질의 다양한 pH 값, 온도 및 농도에서 반응을 진행했다. “구동력이 어디에서 올 수 있었는지에 대해 많은 추측이 있었다. 하지만 아무도 신진대사 자체를 살펴보지 않았다”고 Wimmer는 말했다.

빛 대신 화학 에너지

분석 결과:
적절한 조건에서 대부분의 원시 대사 단계는 추가 에너지 입력 없이 발생했다.
어떤 경우에는 반응이 에너지를 방출하고 다음 반응을 촉발하기도 한다. 따라서 1차 신진대사는 생명의 첫 시작을 위한 내부 에너지원 역할을 할 수 있었다. 분자 자체가 화학 에너지를 제공했다.

“우리는 생명의 기원에 있는 에너지가 순전히 화학적 성질이라는 것을 보여주었다. 우리는 햇빛, 운석 또는 자외선이 필요하지 않다”고 Wimmer는 말했다. 대신 이산화탄소, 물, 암모니아 및 약간의 염만 필요했으며, 온도는 약 80도, 알칼리성 환경은 pH 9 부근이었다. 오늘날에도 심부 생물권의 많은 유기체가 그러하듯이 수소가 화학 에너지의 주요 공급원이다.

생명의 요람으로서의 열수 굴뚝?

원시 신진대사의 이 성분 목록은 또한 최초의 생명체가 어디에서 발달할 수 있었는지에 대한 귀중한 정보를 제공한다.
"이 환경은 중부 대서양의 수중 산맥인 열수 필드 '잃어버린 도시'에서 발견되는 환경과 정확히 일치한다"고 뒤셀도르프 대학의 William Martin이 설명했다. 오랫동안 생명의 요람으로 여겨져 온 알카리성 뜨거운 굴뚝이 있다.

Wimmer와 그녀의 동료들의 결과는 이제 이것을 확인시켜주었다.
해저에 있는 그러한 온천이 생명의 기원에 중요한 역할을 했을 수도 있음을 암시하기 때문이다.
(Frontiers in Microbiology, 2021; doi: 10.3389/fmicb.2021.793664)
출처: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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