생명의 구성 요소는 어떻게 시작되었나?
이 질문은 오랫동안 과학자들을 괴롭혀왔다. 초기 지구에는 화학 물질이 풍부한 물 웅덩이, 즉 원시 수프가 곳곳에 있었다. 그러나 생명체를 지탱하는 생체분자가 혼합물에서 출현하여 최초의 세포 출현을 위한 무대를 마련했다.
두 가지 구성요소가 형성되면서 생명이 시작되었다. 하나는 유전적 청사진을 전달하고 재혼합하는 DNA와 같은 분자 운반체였다. 다른 구성 요소는 단백질, 일꾼 및 신체의 구조적 요소로 구성되었다.
두 생체분자는 매우 복잡하다. 인간의 DNA에는 뉴클레오티드라고 불리는 네 가지 화학적 “문자”가 있는 반면, 단백질은 20가지 유형의 아미노산으로 구성된다. 구성 요소는 서로 다른 구조를 갖고 있으며 구성 요소를 만들려면 약간 다른 화학이 필요하다. 최종 생성물은 DNA나 단백질로 함께 묶을 수 있을 만큼 충분한 양이 필요하다.
과학자들은 첨가제를 사용하여 실험실에서 구성 요소를 정제할 수 있다. 하지만 질문이 생깁니다. 초기 지구에서는 어떻게 그런 일이 일어났는가?
그 대답은 뮌헨 루트비히 막시밀리안 대학의 연구원인 크리스토프 마스트(Christof Mast) 박사가 초기 지구에 풍부했던 화산이나 지열 시스템에서 발생하는 것과 같은 암석의 균열일 수 있다고 제안한다. 균열을 따라 온도 차이가 자연적으로 생체분자 구성요소를 분리하고 농축하여 생체분자를 정화하는 수동 시스템을 제공하는 것이 가능하다.
지질학에서 영감을 받아 팀은 대략 은행 카드 크기의 열 흐름 챔버를 개발했으며, 각 챔버에는 온도 구배가 있는 미세한 균열이 포함되어 있다. 아미노산이나 뉴클레오티드의 혼합물("프리바이오틱스 혼합물")을 주면 구성 요소가 쉽게 분리된다.
더 많은 챔버를 추가하면 구조가 유사한 화학 물질도 더욱 집중된다. 또한 골절 네트워크는 아미노산 결합을 가능하게 하여 기능성 단백질을 생성하는 첫 번째 단계가 되었다.
“상호 연결된 얇은 균열과 균열의 시스템은 화산과 지열 환경 어디에나 존재하는 것으로 생각됩니다.”라고 팀은 썼다. 프리바이오틱스 화학물질을 풍부하게 함으로써 그러한 시스템은 “자연 생명 기원 실험실을 위한 꾸준한 추진력을 제공”할 수 있었다.
양조 생활
약 40억 년 전, 지구는 운석이 쏟아지고 화산 폭발이 만연하는 적대적인 환경이었다. 그러나 혼란 속에서도 화학은 최초의 아미노산, 뉴클레오티드, 지방 지질 및 생명을 지탱하는 기타 구성 요소를 생성했다.
이러한 분자에 어떤 화학적 과정이 기여했는지는 논쟁의 여지가 있다. 각자가 왔을 때도 수수께끼이다. "닭이냐 달걀이냐" 문제처럼 DNA와 RNA는 세포에서 단백질 생성을 지시합니다. 하지만 두 유전적 운반자 모두 복제를 위해서는 단백질이 필요하다.
한 이론에서는 초기 지구의 호수와 강에 풍부하게 존재하는 분자인 황화 음이온이 연결 고리일 수 있다고 제안한다. 화산 폭발로 생성된 이 물질은 일단 물 웅덩이에 용해되면 프리바이오틱스 분자를 RNA로 전환하는 화학 반응을 가속화할 수 있다. "RNA 세계" 가설이라고 불리는 이 아이디어는 RNA가 유전 정보를 전달하고 일부 화학 반응 속도를 높일 수 있기 때문에 지구를 빛나게 한 최초의 생체 분자임을 시사한다.
또 다른 아이디어 는 두 가지 풍부한 화학 물질(하나는 유성에서, 다른 하나는 지구에서 발생)과 약간의 자외선을 포함하는 과정을 통해 초기 지구에서 생성된 뉴클레오티드, 지질 및 아미노산에 동시에 유성이 영향을 미치는 것이다.
그러나 한 가지 문제가 있다. 각 빌딩 블록 세트에는 서로 다른 화학 반응이 필요합니다. 구조나 화학의 약간의 차이에 따라, 한 지리적 위치가 다른 프리바이오틱 분자 유형에 비해 편향되었을 가능성이 있다.
어떻게? Nature 에 발표된 새로운 연구는 이에 대한 답을 제시한다.
터널 네트워크
초기 지구를 모방한 실험실 실험은 일반적으로 이미 정제된 잘 정의된 성분으로 시작된다. 과학자들은 또한 특히 여러 화학 반응 단계에서 중간 부산물을 제거한다.
이 프로세스는 종종 "원하는 제품의 아주 작은 농도"를 초래하거나 제품 생성이 완전히 억제될 수도 있다고 팀은 썼다. 또한 반응에는 공간적으로 분리된 여러 개의 챔버가 필요하며 이는 지구의 자연 환경과 거의 유사하지 않다.
새로운 연구는 지질학에서 영감을 얻었다. 초기 지구에는 화산과 지열 시스템의 다양한 암석에서 발견되는 물로 채워진 균열의 복잡한 네트워크가 있었다. 암석의 과열로 인해 생성된 균열은 열 구배를 사용하여 복잡한 분자 혼합물을 잠재적으로 필터링할 수 있는 천연 "밀짚"을 형성했다.
각 분자는 크기와 전하에 따라 선호되는 온도를 선호한다. 다른 온도에 노출되면 자연스럽게 이상적인 선택을 향해 움직인다. 열영동이라고 불리는 이 과정은 한 단계에서 재료 수프를 여러 개의 서로 다른 층으로 분리한다.
팀은 열 흐름 챔버를 사용하여 단일 얇은 암석 균열을 모방했다. 대략 은행 카드 크기의 이 챔버에는 사람 머리카락 너비 정도인 170마이크로미터의 작은 균열이 있었다. 온도 구배를 만들기 위해 챔버의 한 쪽은 화씨 104도까지 가열되었고 다른 쪽 끝은 화씨 77도까지 냉각되었다.
첫 번째 테스트에서 팀은 아미노산과 DNA 뉴클레오티드를 포함하는 프리바이오틱 화합물의 혼합을 챔버에 추가했다. 18시간이 지나면 구성 요소가 티라미수처럼 층으로 분리된다. 예를 들어, 가장 작은 아미노산인 글리신은 위쪽으로 집중되는 반면, 열영동 강도가 더 높은 다른 아미노산은 아래쪽에 달라붙는다. 마찬가지로 DNA 글자와 기타 생명 유지 화학 물질도 균열에서 분리되었으며 일부는 최대 45%까지 농축되었다.
유망하긴 하지만, 이 시스템은 다양한 크기의 균열이 고도로 상호 연결된 초기 지구와 닮지 않았았다. 자연 조건을 더 잘 모방하기 위해 팀은 다음으로 세 개의 챔버를 연결했고 첫 번째 챔버는 다른 두 개로 분기되었다. 이는 단일 챔버보다 프리바이오틱 화학물질을 풍부하게 하는 데 대략 23배 더 효율적이었다.
그런 다음 팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 프리바이오틱스 화학 물질의 현실적인 유속을 사용하여 20x20으로 연결된 챔버 시스템의 동작을 모델링했다. 챔버는 다른 아미노산보다 2,000배 이상 풍부한 글리신을 함유하여 맥주를 더욱 풍부하게 만들었다.
화학 반응
보다 깨끗한 성분은 복잡한 분자 형성을 위한 훌륭한 시작점이다. 그러나 많은 화학 반응에는 추가적인 화학 물질이 필요하며, 이 또한 농축되어야 한다. 여기서 팀은 두 개의 글리신 분자를 서로 연결하는 반응에 초점을 맞췄다.
중심에는 반응을 안내하는 데 도움이 되는 트리메타인산염(TMP)이 있다. TMP는 프리바이오틱스 화학에 특히 흥미롭고 초기 지구에서는 드물었다고 팀은 설명했다. "선택적 농축이 중요합니다." 단일 챔버는 다른 화학물질과 혼합될 때 TMP 수준을 증가시켰다.
컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 TMP와 글리신 혼합물은 최종 제품(글리신의 두 배)을 5배 증가시켰다.
"이러한 결과는 다른 지역의 화학 물질을 선택적으로 풍부하게 하는 열 흐름으로 인해 다른 경우에는 어려웠던 프리바이오틱스 반응이 엄청나게 향상되었음을 보여줍니다"라고 팀은 썼다.
전체적으로 그들은 50개 이상의 프리바이오틱 분자를 테스트한 결과 균열이 쉽게 분리되는 것을 발견했다. 각 균열에는 서로 다른 분자 혼합이 있을 수 있기 때문에 생명을 유지하는 여러 구성 요소의 등장을 설명할 수 있다.
하지만 생명의 구성 요소가 어떻게 모여 유기체를 형성했는지는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 열 흐름과 암석 균열은 퍼즐의 한 조각일 가능성이 높다. 궁극적인 테스트는 이러한 정제된 프리바이오틱스가 서로 연결되어 세포를 형성하는지, 어떻게 확인하는 것이다. 이미지 제공: Christof B. Mast
