출처:http://phys.org/news/2012-10-early-earth-cells-life-packaged-rna.html

펜실베이니아 주립대(Penn State University)의 연구자들이 40억년 전 원시 지구에서 세포가 만들어지는 단계를 설명해주는 화학 모델을 개발해 화제가 되고 있다. “거대 분자(macromolecules)”를 이용해 연구자들은 RNA가 결합되어 있는 세포 형태의 원시 구조를 만들어내었으며 이들이 초기 지구 상태에서 어떻게 화학적으로 반응하는지를 보여주었다. 이번 연구 결과는 Nature Chemistry지에 10월 14일 온라인으로 게재되었다.

몇몇 예외가 있기는 하지만, 현대 생물학에 존재하는 모든 생명체는 자신의 유전 정보를 저장하는 메커니즘으로 DNA를 이용한다. "RNA-세계(RNA-world)"를 기반으로 하는 가설에 따르면, 유전 정보를 전달하는 임무를 맡은 RNA와 화학 반응을 촉매하는 기능성 분자들이 먼저 출현했고 DNA와 단백질은 이후에 진화한 결과물이라고 한다. DNA와 달리 RNA는 많은 서로 다른 분자 구성을 이룰 수 있고 따라서 분자 수준에서 기능적으로 상호작용할 수 있다.

곧 게재될 예정인 논문에서, 두 명의 교수인 Christine Keating과 Philip Bevilacqua, 두 명의 대학원생인 Christopher Strulson과 Rosalynn Molden은 RNA-세계 가설이 남긴 끈질긴 미스터리에 대해 연구했다. 이에 대해 Bevilacqua는 "RNA-세계 퍼즐이 잃어버린 조각은 세포 내 구획화(compartmentalization)*이다. 단지 RNA라고 하는 분자를 제시하는 것만으로는 불충분하다. 이들은 구획화될 필요가 있으며 확산되는 것이 아니라 한데 뭉쳐 있을 필요가 있다. 이러한 패키징은 충분히 작은 공간에서 이루어질 필요가 있는데 그 이유는 화학 반응이 일어나기 위해서는 서로 가까이서 충분한 충돌이 존재해야 하기 때문"이라고 설명했다.

어떻게 세포 모양의 구조가 RNA분자를 형성하고 이들을 구획화할 수 있는지를 연구하기 위해 Strulson과 Molden은 실험실에서 살아있지는 않지만 간단한 일종의 세포를 만들어냈다. 이에 대해 Keating은 "우리 연구팀은 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)과 덱스트란(dextran)이라고 불리는 두 고분자를 이용해 구획화를 할 수 있었고 이러한 용액들은 RNA가 부분적으로 집중될 수 있는 분자들을 만들어낼 수 있었다"고 말했다.

연구팀은 그 결과 일단 RNA가 덱스트란이 풍부한 부분으로 들어가게 되면 그 분자들이 물리적으로 반응해 화학 반응을 일으킨다는 것을 발견했다. 이에 대해 Bevilacqua는 "놀랍게도 RNA들이 더 많이 뭉쳐있을수록 반응은 더욱 빠르게 진행되었다. 실제 그 반응은 70배 이상 빠르게 진행되었다. 더욱 중요한 것은 우리가 RNA들이 반응을 위해 무엇인가를 하며 그러기 위해 세포와 같은 곳 속으로 군집을 이룰 필요가 있다는 것을 보여준 것이다. 두 개의 액상 시스템(ATPS)을 이용한 우리의 실험 결과는 어떤 구획화 메커니즘이 초기 지구 환경에 촉매를 제공했다는 사실을 보여주고 있다"고 말했다.

연구팀은 또한 RNA의 길이가 길면 길수록, 이들이 시스템 속의 덱스트란 부분에 더욱 패키징될 수 있으며 짧을수록 그러한 양상이 약화된다는 것을 발견했다. Bevilacqua는 이에 대해 "우리는 이번 연구 결과가 일종의 원시적인 분류법을 보여주고 있다고 믿고 있다. RNA의 길이가 짧아질수록 효소 활성은 약화되는 것으로 보인다. 따라서 원시지구 모델과 유사한 덱스트란 -PEG모델에서, 충분한 길이의 RNA가 한 상에서 분류될 수 있었던 반면, 짧은 길이의 RNA는 기능을 지니지 못할 뿐더러 오히려 화학 반응을 방해하는 역할을 하고 있었다"고 말했다.

연구자들은 서로 다른 고분자를 이용함으로써 그들이 개발한 모델-세포법을 더욱 연구하기를 바라고 있다. Keating은 이에 대해 "우리는 초기 지구의 환경과 유사한 고분자 시스템에서 구획화와 관련된 연구를 수행하고 있다. 또한 이들이 다양한 세포 프로세스에서 관여하고 있는 메커니즘에 대해 연구를 수행 중"이라고 말했다.

그림: 덱스트란 내에 RNA 가닥과 RNA 효소가 함께 엉겨있는 모습

세포 내 구획화(compartmentalization): 진핵생물에서 볼 수 있으며 세포 내부를 몇 개의 부분으로 구분하여 생명활동을 하는 현상. 세포 내 구획화에 따라 복잡한 생명활동을 효율적으로 진행시키는 것이 가능하다.