2017년 9월 6일 수요일

A paradox of appearance of the first cell on the earth.


최초의 세포의 탄생의 난관
A paradox of appearance of the first cell on the earth.



In other to live as a living thing, the first cell need a cell membrane, a few enzymes for metabolism, a few proteins for cell division, many enzyme for transcription, and cell wall. And it need genetic materials which have information about many structural, functional proteins, and enzymes for daughter cell.
When the first cell was enveloped with cell membrane, if it had no protein, so it should have to make all of protein for activity of life then, it need ribosomes, t-Rnas, and many enzymes for gene expression. But, they are made of protein also. So, if the first cell obtain them accidentally then, the first cell must have genetic information of them also. It is not natural.
A simple protein or enzyme is composed of a few hundreds of aminoacids. Three bases indicate one aminoacid. So, the length of genes for that many proteins and enzymes is very long. In procariotic cell, we failed to find out centrioles and spindle fiber. So, we assume that the first cell also had no them. Then, we also assume that  all of genes of first cell was assembled into one nucleomorph. How could it be preserved untill enveloped into cell membrane?
If one base of gene is changed or deleated so, differant from original, then a protein from this gene cannot opperate. How can it be assembled correctly by accident? It was miracle!
 
가장 하등한 최초의 단세포 생명체가 생명체로서 기능하기 위해서는
1. 세포막에 쌓여 있어야 한다.
세포막은 선택적 투과성을 갖는다. , 채널이 되는 막 단백질이 존재하고, 원하는 것만 통과시키면서, 여러가지 물질 합성과 분해에 쓰이는 반응물질들을 지속적으로 획득할 수 있도록 정상 기능을 해야 한다.
2. 물질대사를 해야한다.
화학반응을 진행시킬 때 필요한 에너지를 생성하는 반응을 촉진하는 효소가 존재해야 한다.
에너지원을 소화시키거나, 에너지 생성에 필요한 형태의 물질을 지속적으로 획득할 수 있어야 한다.
불필요한 물질을 제거할 수 있어야 한다. , 각종 분해효소(단백질)가 필요하다.
3. 자손을 낳아 번식을 해야한다.
1) 자신에게 필요한 단백질을 똑같이 합성해서 딸세포에게 전달할 수 있어야 한다
- 단백질을 합성하기 위한 유전정보와 단백질 합성장소와 합성효소가 있어야 한다.
2) 유전물질을 복제할 수 있어야 한다.
- 필요한 뉴클레오티드를 갖추고 DNA합성에 필요한 여러가지 효소와 물질들이 준비되어 있어야 한다.
3) 세포가 분열할 수 있어야 한다.
- 세포막이 나누어지는 분열에 필요한 세포분열진행도구(세포질에는 없으나 미세소관이 이땐 필요함)들을 합성할 수 있어야 한다.
4) 성장 및 생장할 수 있어야 한다.
- 분열을 하기 위해 필요한 것들을 만들기 위해 충분한 크기여야 하고, 분열된 딸세포는 원래의 크기로 커질 수 있어야 한다. 그러므로 충분히 많은 에너지가 필요하여 많은 물질대사가 이루어져야 한다. 그러므로 필요한 효소의 수가 많다. (갖추어야할 유전정보의 양이 많다.)
4. 원시환경에서 살아남아야 한다.
세포는 저온 고온 염분 등 다양한 열악한 외부환경에 저항하기 위한 보호물질이 필요하다.
- 콜레스테롤이 끼어 동파를 막아야 하고, 캡슐에 싸여 보호되어야 한다. 이와 같은 물질들을 스스로 합성할 수 있어야 한다. (합성 효소와 유전정보가 필요하다.)
세포막을 이루는 분자가 인지질이 아닌 다른 특별한 분자라면 역시 그 분자를 스스로 합성할 수 있어야 한다. (유전자와 합성효소가 또한 갖추어져야 한다.)
 
    
이러한 모든 것이 이미 다 만들어져서 한 순간에 막에 싸여야 한다. 기능을 하는 다양한 입체구조의 단백질들이 모두 우연히 합성되었다고 기대하는 것은 이미 기적으로 만들어졌다는 뜻이다. , 우연히 합성되었건 어찌 되었건 엄청나게 다양한 단백질들이 한꺼번에 싸여 세포안으로 들어왔다면 그 중에는 원치 않는 반응을 하는 것들도 있을 것이다. 그러면 세포의 물질대사가 정상적으로 진행된다고 기대할 수 없다. 그렇다고 고르고 골라서 담았다고 하면 이미 하느님이 고르셨다고 해야 하므로 더 할 말이 없어진다. 그러므로 필요한 단백질을 하나 하나 세포가 스스로 만들어 썼다고 가정해 보자
 
1. 기적 하나. 길고 긴 유전물질이 막에 쌓이지 않은 채 오랜 세월 동안 보존되었다.
인지질 이중층에 무작위로 조립된 DNA 혹은 RNA가 들어갔는데 그 염기서열은 이런 놀라운 많은 일을 하는 단백질 특히, 생명활동에 필요한 수많은 다양한 효소들을 만들 수 있는 수 많은 정보가 정확하게 있어야 한다. 세포가 분열을 하기 위해서는 1) 유전물질을 복제하는데 필요한 물질과 효소들이 모두 있어야 한다. 2) 분열에 필요한 물질들을 합성할 수 있는 효소를 위한 정보가 있어야 한다. 그래서 물질대사를 아무리 단순화시켜서 화학반응을 시키는 효소의 수를 줄여도, 분열을 진행시키기 위한 무수히 많은 효소들만큼은 줄일 수가 없다. 이들은 반드시 있어야 딸세포를 만들어 수가 있고 그렇게 개체수가 늘어날 수 있어야 생명체요 세포라 부를 수 있다. 따라서, 최초의 세포는 무수히 많은 단백질을 위한 정보를 갖추고 있어야 한다. 그 길이는 얼마나될까?
예를 들어 단순한 단백질 하나를 합성한다고 하자. 이 단백질은 적어도 100개가 넘는 아미노산이 모여야 입체구조를 이루어 기능을 한다. 그리고 DNA 혹은 RNA3개의 염기가 하나의 아미노산을 지정하므로 300개의 염기가 필요하다.






세포는 최소한의 생명활동을 위해서도 효소가 매우 많이 필요하므로 이 수많은 단백질들을 위한 정보를 갖추어야 하는데 그러면 그 길이가 엄청나게 길어진다. 사실 세포가 많은 물질들을 합성하면서 생장을 하기 위해서는 많은 에너지가 필요하다. 그러기 위해서는 충분히 많은 다양한 물질대사가 지속적으로 이루어져야 한다. 이를 위해 매우 많은 효소가 필요한 것이다. 유전정보는 훨씬 많이 필요하고 그 길이가 예상한 것보다 매우 매우 더 길다는 것이다. 이 긴 유전물질이 오랜세월 서서히 무사히 조립되어 잘 보존되어 세포 안으로 들어갔다는 것이다. 얼마나 어려운 이야기인가? 0에 가까운 확률이다. 무작위적으로 우연히 조립되었다면 정상적인 정보를 갖기 어렵다. 단백질 하나를 위한 긴 염기서열 중 염기하나만 틀려도 기능을 하지 못하곤 한다. 또 이 정보에는 원치 않는 기능을 하는 단백질 정보가 없어야 한다. 어떻게 필요한 정보만 그것도 아주 정확하게 그 긴 사슬이 오랜세월 우연히 서서히 합성될 수 있었을까? DNA는 이중나선이고 견고하다. RNA는 단일가닥이고 DNA4가지 염기 중 하나인 티민이 우라실로 바뀌어 있는게 다르다. 그래서, 처음에 유전물질은 아마 보다 단순한 RNA라고 생각하기 쉽지만 그러기에는 심각한 문제가 좀 있다. RNA가 매우 약하다. 우선, 단일 가닥사슬이라 쉽게 부서진다. 그 긴 사슬이 RNA라면 중요한 정보들이 모두 전달되지 못하여 세포로서 기능할 수 없거나 세포분열을 하지 못한다.
 
2. 기적 둘. 그 많은 유전정보를 딸세포에게 무사히 전달하였다.
자신의 유전물질을 복제하였고,  유전물질은 원본과 사본이 나누어져 양쪽으로 갔고, 딸세포에게 전달되었다. 다시 말하면 적어도 정확하게 작동하는 유전물질 복제효소를 갖고 있었다. 이들은 하나가 아닌 여러개가 함께 작용하는 복합체이다.

현재의 원핵세포들은 원형DNA들이다. 이들은 선형보다 끝이 분해될 염려가 없이 안전한 구조다. 그러나 복제과정에서 θ복제가 이루어지며 초나선이 형성되는 어려움이 발생한다. 그래서 DNA 골격을 끊고 초나선현상을 풀어서 다시 붙이는 작업들이 수시로 일어난다. 최초의 세포는 이런 정교함을 기대하기 어렵다. 만일 있었다면 기적인 것이다. 그러면 보다 고등한 진핵세포처럼 선형이었을까?
만일 조각조각 단편들인 상태로 좌우로 분리되어야 했다면 지금의 발달된 진핵세포의 유사분열시스템을 능가하는 중심체와 방추사 미세소관시스템이 필요하다. 이것들을 합성 할 수 있어야 한다. 원핵세포에는 없다. 더구나 동원체부분이 단편들의 수만큼 많아야 하는데 이 조각들이 진화과정에서 붙어서 하나로 응축하여 이동하기 위해서는 여러 개의 동원체들이 소멸되고 적당한 위치의 동원체만 남아있어야 하는 과정이 남는다. 현제는 하나의 염색체에는 하나의 동원체만 있다. 여러개 있다는 사례를 들어본 적이 없다.


그래서 최초의 세포는 원핵세포처럼 중심체 미세소관이 없이 원형DNA를 갖으며 θ복제를 한다고 가정하기가 쉽다.
 
3. 기적 셋. 최초의 세포는 막단백질을 합성하여 세포막에 끼워 넣었다.
아직 막단백질이 없고 이들을 제거할 수 있는 효소들이 없으므로 처음에는 막에 싸여 들어가지 않아야 하므로 존재하지 않았어야 한다. 이는 좀, 어려운 이야기다.
원시지구의 유기물 호수에서 어떤 일정량이 우연히 막으로 싸일 때에 그 용액 속에는 기본재료가 되는 다양한 물질이 그 안에 있어야 한다. 리보소옴, t-RNA, 아미노산들, 뉴클레오티드들, 에너지원들 등 ... 이들이 오랜 세월동안 우연히 합성되어 고여 있었다고 하자 그러함에도, 최초의 세포에게 불필요하거나 적어도 독성이 되는(대사에 방해가 되는) 물질이 없어야 한다. 우연히 무작위적으로 물질들이 합성되었다면 이들은 합성되지 않았다고 해야 하니 스스로 모순이 된다.
    , 최초의 세포는 아직 막단백질이 갖추어져 있지 않으므로 노폐물도 버텨야 한다. 일정 시간 노폐물을 버티고 있다가 막단백질이 갖추어지면서 토해내거나 혹은 보다 쉽게는 분해효소가 우연히 삽입되거나 혹은 합성되어 갖추어지면서 내부에서 이들을 제거했다고 예상된다. 그러면, 딸세포를 위해 그 분해효소를 위한 유전정보를 또한 갖고 있어야 한다.

아울러 최초의 세포는 필요한 물질들이 세포 안에서 다 고갈되기 전에 이들이 외부로 부터 인지질 이중층을 통과해 들어올 수 있도록 통로가 되는 막단백질은 신속하게 만들어져야 한다. 이어서 즉시 막에 끼워져야 한다. 어떻게 가능했을까?
이 막단백질이 이미 만들어져 있다가 최초의 세포를 감싸는 막이 형성될 때 끼워졌다고 하면 최초의 세포는 딸세포를 위해 우연히 들어온 단백질을 위한 정보를 미리 갖고 있어야 한다. 이는 우연히 무작위적으로 일어났다는 가설으로서는 극히 어려운 이야기이다. 딸세포는 이 단백질을 합성하여 세포막에 끼워넣어야 한다. 어떻게 했을까?
4. 기적 넷. 단백질 합성장소가 이미 만들어져 있었다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 세포는 우선, 단백질 합성 장소인 리보소옴이 어떤 하등한 형태라도 있어야 한다. 지금은 모든 생명체의 리보소옴이 RNA와 단백질로 되어 있다. 그래서 단백질을 합성해야 하는데 이미 단백질이 있어야 하는 모순이 되어 더 말할게 없어지므로 최초의 세포는 일단 리보소옴이 RNA로 되어 있을 것이라고 예상하기로 한다.
무엇인가가 단백질합성 장소로서 기능하려면, 유전정보가 지정하는 아미노산을 펩티드결합 시켜야 한다. 그러므로, 정보가 되는 M-RNA 결합부위와 아미노산을 꼬리에 달고 온 두개의 T-RNA(아미노산의 펩티드 결합을 위해 두 개가 나란히 위치해야 한다.) 결합부위가 있어야 한다. 이러한 것이 이미 만들어져 있었다니...

  
t-RNA가 아미노산을 달고 와서 리보소옴에 이르러 아미노산끼리 펩티드 결합을 시키고 t-RNA가 떨어지고 하는 반응이 진행되어야 하는데 그냥 두면 자동?? 아니다 t-RNA에 아미노산을 붙이기 위해서도 효소가 있어야 한다. 물론, 단백질이다. 이것이 없으면 좁은 세포안에서 아주 짧은 시간에 t-rna에 아미노산을 붙이는게 극히 어렵다.

최초의 세포이므로 우연히 t-RNA에 아미노산이 붙은 것들이 존재하다가 막에 싸여 들어갔다 하자 그러나, 기능을 하는 입체구조를 갖는 단백질 하나를 만들기 위해서도 아미노산이 100개 이상이 쓰이는 것을 고려하면 분명 우연히 막에 싸여 들어간 것들은 안에서 고갈되므로 세포는 t-RNA에 아미노산을 붙이는 과정을 진행해야 한다. 그러려면 이 효소 단백질이 최초의 단백질 합성 전에 이미 있어야 한다.
아직 단백질을 못 만들고 있는 중이라 이 효소도 RNA 덩어리로서 이미 있었다고 해야할까?
 
5. 최초의 단백질 합성에 필요한 효소(단백질이건 RNA이건)가 이미 만들어져 있었다. 
리보소옴도 이런 초기 효소들도 다 RNA였다고 하면 몇가지 심각한 문제가 발생한다. 우선, 현재는 이것들이 단백질로 되어 있으므로 RNA를 위한 정보가 단백질을 위한 정보로 근본적으로 송두리째 바뀌어야 한다. RNA를 위한 염기서열정보와 같은 입체구조를 이루는 긴 아미노산 사슬을 위한 염기서열은 근본적으로 다르다. 그러한 대이변은 어찌 설명해야 할까? 더구나 아미노산사슬을 구부려 그 입체를 만드는 것과 RNA사슬을 구부려 같은 모양을 만드는 것은 분자내 결합 차원에서 보면 전혀 다른 예기가 된다.
, RNA보존에 관한 추가적인 문제에 봉착한다. RNA는 매우 약하며 또한 그 모양변화가 열에 민감하여 온도변화에 따라 구조가 바뀐다. 원시지구가 지금보다 뜨거웠으며 날씨가 변화무쌍하였을 거라는 데는 이견이 없으므로 RNA의 정상적인 기능 및 그 보존을 기대하기가 어렵다.
, 현재는 아주 하등한 세포도 RNA로된 효소가 없다.(비슷한 거 하나 발견했으나 역부족이다.)
그래서, 아무래도 지금은 단백질로 되어 있으나 최초에 필요한 것들은 RNA였다고 떼를 쓰는 것은 좀 무리다.
어쨌든 이미 만들어져 있어야 하므로 그 우연한 합성을 살펴보자. 그러니까 원시의 유기물 바다에서 아미노산들이 혹은 뉴클레오티드들이 고온 때문에 우연히 무작위적인 방법으로 붙었고 구불구불 모양이 만들어졌는데 기적같이(기적 소리가 자주도 나온다.) 지금 존재하지도 않는 세포내 화학반응을 위한 혹은 막단백질로서 물질을 통과시키는 기능을 한다는 것이다. 아무리 오랜 세월이 흘렀다고 해도 그 확률이 너무 희박하므로 이는 기적인 것이다.
, 우연히 단백질이 무작위적으로 합성되어 구불구불 구부러지고 뭉쳐져 기능을 할 수 있는 입체를 갖추었다고 하자. 그러나 실험실에서 아미노산만 순수하게 모아서 가열하였을 때, 결합이 일어난 온도는 200도가 넘는다. 아미노산이 아닌 다른 이물질들이 섞이면 그마저도 안 된다. 이물질 없는 원시호수를 기대하기는 어렵다. 그렇게 해서 합성된 아미노산 사슬이 구불구불 구부러져 기능을 하기를 기대해야 하는데 너무 고온에서 합성되어 마치 열변성이 일어난 것처럼 유연한 움직임을 기대하기 어려워 기능할 수 없다고 추정된다. 또 고온에서 그렇게 합성이 되었다고 해도 저온의 세포 안에서 그 동일한 모양을 스스로 생성해내야 한다. 어떻게 알고? 또 우연히?
, 단백질은 입체구조가 정확하지 않으면 기능하지 못한다. 현재의 세포 안에서는 아미노산을 붙여 단백질을 합성할 때, 기능을 할 수 있는 정확한 구조와 모습이 될 수 있도록 그 모양을 변형시키고 다듬는다. 그런데 이 원시세포는 소포체도 골지체도 아직 없다. 최초의 세포의 단백질은 우연히 정확한 모양을 갖추어 기적같이 기능을 해야 한다.

지금 지구상의 생명체들은 그 몸의 단백질들이 42도가 넘으면 열변성이 일어나 기능을 하지 못한다. (고온에서 사는 두꺼운 피막을 갖는 세균은 일단 예외로 두자.) 최초의 세포가 발견된 약 38억년 전의 지구는 42도 이하의 온도여야 한다. 그런데 그 온도에서는 우연한 펩티드결합을 기대하기가 어렵다.
 
6. 세포는 앞서 말한 우연히 만들어져 최초의 세포에 들어온 것(단백질 합성에 관여하는 초기 효소)의 유전정보를 갖고 있었다.
최초에 이미 만들어져 있는 것을 사용했을지라도 이것을 합성할 수 있는 정확한 정보가 있어야 딸세포에서도 만들어져 딸세포가 생명체로서 살 수 있으므로, 우연히 들어온 놈을 위한 정확한 정보를 갖고 있어야 한다는 것이다. 그러니 얼마나 어려운 얘기인가? 이는 확실히 기적이다.
 
7. 최초의 세포와 그 자손들은 원시지구의 열악한 환경에서 살아남았다.

지금 원시지구와 같은 그런 열악한 환경에서 사는 세균들이 매우 두꺼운 세포벽을 갖고 있고 세포막 또한 두 배나 긴 다른 분자로 되어 있는 것을 살펴볼 때, 최초의 세포에게 짜임새 좋은 정교한 세포벽을 기대한다는 것은 기적을 바라는 것이다. 아주 단순한 다당체들이 다닥다닥 붙었다고 해도 그것을 합성해서 세포의 밖에 그렇게 다닥다닥 붙이는 합목적적 의지적 활동을 해야 하니 기적이다. 만일 그렇지 않다면, 그러한 구조가 전혀 없는 단순하게 막에 싸인 최초의 세포가 살 수 있는 어떤 안전하고 이례적인 곳을 기대해야하는데 그러한 짜임새 좋은 정교한 세포벽을 합성하는 기술(?)을 터득할 때까지 자자손손 잘 보존하고 있으려면 그곳은 일반적이고 보편적인 곳이어야 하는데 이례적인 곳일 수 밖에 없는 상황이므로 각별한 돌보심이 느껴지는 기적인 것이다.
 
8. 최초의 세포는 물질대사를 구분하여 진행할 수 있었다.
다양한 물질을 합성하려면 서로 다른 물질대사가 이루어져야 한다. 적당히 섞여 몇가지 반응이 동시에 진행될 수 있으나 그 많은 다양한 물질을 합성하고 분해하는 과정이 진행되려면 세포에는 어떤 방식으로든 내부 구획이 갖추어졌어야 한다. 발달된 막구조를 예상하는 것은 모순이고 지금의 원핵세포처럼 일시적으로 소낭을 형성하였을 거라고 가정한다면 우연히 막에 싸인 세포 안에서 스스로 필요에 따라 소낭에 원하는 물질을 포장해서 이동시켜야 한다. 미세소관 등 컨베어벨트처럼 이동에 관여하는 구조물, 집게처럼 기능하는 키네신단백질과 같은 것들 등이 만들어져야 한다. 그것들을 합성하는 효소와 그 효소를 위한 유전정보도 필요하다. 또, 필요한 순간에 소낭을 형성하여 물질을 포장하고 이동시키려면 어떤 조절시스템이 갖추어져야 한다이 과정을 위해 기능하는 필요한 것들이 역시 갖추어져야 한다.

알려진 물질대사의 조절을 살펴보면 Lac-operon의 경우, 유전물질에 억제물질이 붙어 있어 물질의 합성이 자동조절되는 시스템이다. 예를 들어 젖당이 축적이 되면 젖당분해효소를 합성하는 것을 억제하는 단백질에 젖산이 끼워져 그 구조를 변형시켜 억제가 풀리고 젖당분해효소 합성이 진행된다. 어찌 그리 젖당이랑 딱 맞는 구조를 갖는 조절단백질이 붙어 있는지...그 단백질을 모양을 이루는 아미노산 서열을 어찌 완성이 되었으며 그를 위한 유전정보도... 더구나, 젖당분해를 위한 연속되는 반응에 필요한 효소들을 위한 유전자가 순차적으로 배열되어있다. (이런 조절과정이 자동이라고 해서 무작위적으로 만들어졌다고 보기엔 너무 정교하다.
원핵세포가 갖는 세포질이 여러가지 물질이 물에 고르게 섞여 있는 상태가 아닌 것처럼 최초의 세포의 세포질도 그랬을 것이다. 최초의 세포가 어떻게 에너지를 획득하고 필요한 물질들을 합성하였는지 그 화학반응마저도 전체를 다 예상하기 어려우나 분명히 세포질을 거의 채우고 있는 유전물질에 의해서 발현된 여러가지 효소가 그 근처에 만들어져 있고 이들에 의해 여러 반응이 동시에 진행되었을 것이다.
 
결론을 말하면, 그 많은 단백질과 유전정보와 필요한 물질들이 우연히 모여 저절로 최초의 세포로 이루어질 수는 없는 것이었다. 의지와 목적을 지닌 자가 활동했고, 기질과 결합할 수 있는 정확한 입체구조를 갖는 필요한 단백질을 위한 수 많은 유전정보가 다 갖추어져 있었으니 이미 기적이다
어느 영리한 분이 그 많은 물질대사 회로를 연구하고 그 반응을 위한 효소단백질의 입체구조의 기능을 미리 구상하고 그 단백질들을 위한 유전정보를 정교하게 갖추어 다 모아 한 줄을 만들어 원을 이루어 준비하고 있었을까? 하느님 찬미받으소서!
세포 안의 경이로운 것들을 말을 하자면 할 말이 아직 많다. 진핵세포는 자신의 유전자안에 엑손과 인트론을 갖는다. 그래서, 인트론을 제거하고 엑손을 연결하여 필요한 단백질을 합성한다. 그런데 놀라운 것은 이 액손의 배열순서를 바꿔서 전혀 다른 단백질을 만들어 사용하는데 이 액손 배열순서에 대한 정보가 달리 존재하지 않는다.
, 진핵세포에서 호르몬이나 기타 여러가지 물질에 의해 세포내 반응이 조절이 될 때, 모든 세포내 반응이 동일한 물질인 c-AMP가 신호를 받아 여러 반응을 일으킨다. 어떻게 동일한 분자가 다양한 신호에 맞게 다른 반응을 유도할까? 이 작은 분자 하나의 미묘한 구조변화에 의한 차이라고 해야하는데 세포 내 반응은 얼마나 정교한 것인가?
 
세포는 살아있다. 살아 있고 싶고 효과적으로 살아가기 위해 발달되었으며 스스로 대처하고 있다.
 
참고문헌
 
1. Joanne, M. W.; Linda, M.S.; Christopher, J.W.; Prescott’s Microbiology 8th ed. 미생물학 2012 라이프사이언스
2. Bruce, A.; Dennis, B.; Julian, L.; Marbin, R.;Keith R.; James, D.W.; Molecular Biology of THE CELL 2nd ed. New york 1989


3. Bruce, A.; Dennis, B.; Karen, H.; Alexander, J.; Julian, L.; Marbin, R.;Keith R.; Peter, W.; essential cell biology 필수세포생물학 2e 2006 교보문고