물은 어디에나 있다. 인체의 대부분이 그것으로 이루어져 있으며, 지구의 많은 부분이 그것으로 덮여 있으며, 인간은 그것을 마시지 않고는 이틀 이상 생존할 수 없다. 물 분자는 신체를 통해 화합물을 용해 및 수송하고, 세포에 구조를 제공하고, 온도를 조절하는 독특한 특성을 가지고 있다. 사실, 우리가 알고 있는 생명체를 가능하게 하는 기본적인 화학 반응에는 물이 필요하며, 광합성이 한 예이다.

그러나 지구의 초기 단계에서 단백질과 DNA와 같은 최초의 생체 분자가 결합되기 시작했을 때 물은 실제로 생명의 장벽이었다.

그 이유는 의외로 간단하다. 물이 있으면 화합물이 물을 잃는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 신체를 구성하는 생물학적 분자의 주요 부류 중 하나인 단백질을 생각해 보면 된다. 단백질은 본질적으로 화학 결합으로 연결된 아미노산 사슬이다. 이러한 결합은 물 분자의 손실을 초래하는 축합 반응을 통해 형성된다. 기본적으로 아미노산은 단백질을 형성하기 위해 "건조"되어야 한다.

축합 반응은 물 분자를 잃음으로써 아미노산을 결합한다. OpenStax/Wikimedia Commons, CC BY

생명체 이전의 지구가 물로 뒤덮여 있었다는 점을 감안하면 생명체에 필수적인 단백질을 만드는 데는 큰 문제였다. 수영장 안에서 말리려고 애쓰는 것처럼 두 개의 아미노산은 초기 지구의 원시 수프에서 물을 잃는 데 어려움을 겪었을 것이다. 그리고 물이 있을 때 이 문제에 직면한 것은 단백질뿐만이 아니다. DNA와 복잡한 당을 포함하여 생명에 필수적인 다른 생체 분자도 응축 반응에 의존하고 물을 잃어 형성된다.

수년에 걸쳐 연구자들은 이 "물의 역설"에 대한 많은 해결책을 제안했다. 그들 대부분은 물 제거를 허용할 수 있었던 초기 지구에 대한 매우 구체적인 시나리오에 의존한다. 여기에는 건조 웅덩이, 광물 표면, 온천 및 열수 통풍구가 포함된다. 이러한 솔루션은 그럴듯하지만 일반적이지 않은 특정 지질 및 화학적 조건을 필요로 한다.

최근 연구에서 동료와 나는 물의 역설에 대한 더 간단하고 일반적인 해결책을 찾았다. 아주 아이러니하게도 초기 생체 분자를 형성할 수 있었던 것은 물 그 자체일 수 있다.

왜 미세 방울인가?

물방울은 현대 세계와 특히 프리바이오틱(또는 전생) 지구 동안 어디에나 있다. 부서지는 파도와 맹렬한 조수로 덮인 행성에서 바다 스프레이와 기타 에어로졸의 작은 물방울은 최초의 생체 분자가 모일 수 있는 간단하고 풍부한 장소를 그럴듯하게 제공했을 것이다.

물 미세 방울(일반적으로 지름이 약 100만분의 1미터이고 거미줄의 지름보다 훨씬 작은 매우 작은 물방울)은 그들이 만드는 매우 특정한 화학적 환경을 고려할 때까지 처음에는 물의 역설을 해결하지 못하는 것처럼 보일 수 있다.

미세 액적은 액적이 작을수록 커지는 실질적인 표면적 대 부피 비율을 갖는다. 이것은 그들이 만들어지는 용매(이 경우에는 물)와 그들이 둘러싸고 있는 매질(이 경우에는 공기)이 만나는 상당한 공간이 있음을 의미한다.

수년에 걸쳐 연구자들은 공기-물 계면이 독특한 화학적 환경이라는 것을 보여주었다. 이러한 미세 액적 계면의 화학은 큰 전기장, 분자가 부분적으로 물로 둘러싸인 부분 용매화, 반응성이 높은 분자 및 매우 높은 산도에 의해 지배된다. 이러한 모든 요인으로 인해 미세 방울은 미세 방울에서 발생하는 화학 반응을 가속화할 수 있다.

우리 연구실은 10년 동안 미세 방울을 연구해 왔으며 이전 연구에서는 미세 방울에서 일반적인 화학 반응 속도가 최대 백만 배 더 빨라질 수 있는 방법을 보여주었다. 하루 종일 걸렸을 반응은 이제 이 작은 물방울을 사용하여 단 몇 분의 1초 만에 완료될 수 있다.

우리의 최근 연구에서 우리는 미세 방울이 물의 역설에 대한 해결책이 될 수 있다고 제안했다. 그 이유는 공기-물 계면이 반응을 가속화할 뿐만 아니라 물의 존재에도 불구하고 생체 분자를 생성하는 데 필요한 반응을 촉진하는 "건조 표면"으로 작용하기 때문이다.

우리는 화학 반응 생성물을 분석하는 데 사용할 수 있는 기기인 질량 분석기를 향해 물의 미세 방울에 용해된 아미노산을 분사하여 이 이론을 테스트했다. 우리는 두 개의 아미노산이 미세 방울을 통해 물이 있을 때 성공적으로 결합할 수 있음을 발견했다. 우리가 더 많은 아미노산을 추가하고 이 혼합물의 두 스프레이를 함께 충돌시켜 프리바이오틱 세계에서 충돌하는 파도를 모방했을 때 이것이 최대 6개 아미노산의 짧은 펩티드 사슬을 형성할 수 있음을 발견했다.

우리의 연구 결과는 바다 스프레이 또는 대기 에어로졸과 같은 환경에서 물 미세 방울이 초기 지구의 기본 미세 반응기였다는 것을 시사한다. 다시 말해서, 미세 방울은 행성을 덮고 있는 광대한 원시 바다에 용해된 단순하고 작은 화합물로부터 생명의 기본 분자가 형성되도록 하는 화학 매개체를 제공했을 수 있다.  

미세 방울의 과거와 미래

미세 방울의 화학은 많은 과학 분야에서 현재의 도전 과제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 약물 발견은 잠재적인 신약을 찾기 위해 수십만 가지 화합물을 합성하고 테스트해야 한다. 미세 액적 반응의 힘은 자동화 및 새로운 도구와 통합되어 합성 속도를 초당 하나 이상의 반응으로 가속화하고 생물학적 분석을 샘플 당 1초 미만으로 가속화할 수 있다.

이러한 방식으로 수십억 년 전에 생명을 구성하는 구성 요소의 기원을 도왔을 수 있는 동일한 현상이 이제 과학자들이 새로운 의약품과 재료를 더 빠르고 효율적으로 개발하는 데 도움이 될 수 있다.

아마도 J.R.R. 톨킨은 다음과 같이 썼을 때 옳았다. “세상의 수레바퀴를 움직이는 것은 종종 이러한 과정이다. 작은 손이 해야 하기 때문에 그것을 하는 반면, 위대한 사람의 눈은 다른 곳에 있다.”

나는 이 작은 방울의 중요성이 그 작은 크기보다 훨씬 더 크다고 믿는다.

이미지 출처: Pixabay/ Elias