진핵 세포는 진화적 알고리즘 위상 전이로 등장했습니다.

마인츠, 발렌시아, 마드리드, 취리히의 네 명의 선임 과학자가 참여한 국제 협력 연구팀이 PNAS 저널에 획기적인 연구를 발표했습니다 . 이 연구는 지구 생명 진화사에서 가장 중요한 복잡성 증가, 즉 진핵세포의 기원을 조명합니다. 세포 내 공생설은 널리 받아들여지고 있지만, 고균과 세균의 융합 이후 수십억 년이 흐르면서 진핵세포가 출현하기 전까지 계통수에는 진화적 중간체가 존재하지 않았습니다.

이는 생물학의 핵심인 블랙홀로 불리는 우리 지식의 공백입니다. 이 프로젝트의 요하네스 구텐베르크 마인츠 대학교(JGU) 대표인 엔리케 M. 무로 박사는 "이 새로운 연구는 이론적 접근과 관찰적 접근을 결합하여 생명체의 유전적 구조가 어떻게 변형되어 복잡성이 증가하게 되었는지 정량적으로 이해합니다."라고 말했습니다.

단백질과 단백질 코딩 유전자의 길이가 증가합니다.

PNAS 에 게재된 논문은 단백질 길이와 그에 상응하는 유전자의 분포가 생명 나무 전체에서 로그 정규 분포를 따른다는 것을 보여줍니다. 이를 위해 9,913개의 서로 다른 프로테옴과 33,627개의 유전체를 분석했습니다. 로그 정규 분포는 일반적으로 곱셈 과정의 결과로 나타납니다. 연구진은 오컴의 면도날 원리에 따라 유전자 길이 분포의 진화를 곱셈 확률 과정으로 모델링했습니다.

실제로, 그들은 모든 유전 연산자의 작용을 서열 길이와 관련하여 결합했습니다. 연구진은 세균, 고균, 진핵생물의 세 가지 생명 영역이 유래한 것으로 가정된 마지막 보편적 공통 조상인 LUCA에서 출발하여, 이론적 및 관찰적 연구를 통해 여러 종에서 평균 유전자 길이가 진화 시간에 따라 기하급수적으로 진화해 왔다는 것을 발견했습니다. 더 나아가, 연구진은 전체 생명 나무에서 유전자 성장의 스케일링 불변 메커니즘을 발견했는데, 여기서 분산은 평균 단백질 길이에 직접적으로 의존합니다.

33,627개의 유전체에 포함된 모든 종을 대표함으로써 연구팀은 예측을 관찰을 통해 검증할 수 있었으며, 더 나아가 평균 유전자 길이가 유기체의 복잡성을 나타내는 매우 유용한 지표임을 보여주었습니다. 순수 정량 생물학 연구에서 마드리드 공과대학교의 바르톨로 루케 박사는 다음과 같이 덧붙였습니다. "한 종에서 단백질 코딩 유전자의 평균 길이를 알면 해당 종 내 유전자 길이의 전체 분포를 계산할 수 있습니다."

여러 종에서 평균 단백질 길이와 그에 상응하는 유전자 길이의 진화를 비교했을 때, 원핵생물에서는 유전자에 비암호화 서열이 거의 없기 때문에 동시에 진화하는 것으로 관찰됩니다. 그러나 평균 유전자 길이가 1,500 뉴클레오티드에 도달하면 단백질은 유전자 증식 과정에서 분리되고, 진핵생물 세포 출현 후 약 500개의 아미노산이 명확한 역치에 도달하여 평균 단백질 길이가 안정화되어 진핵생물 세포의 출현을 알립니다. 그 시점부터 단백질과는 달리, 평균 유전자 길이는 원핵생물에서처럼 비암호화 서열의 존재로 인해 계속 증가합니다.

알고리즘 위상 전이

임계 현상 분석 결과, 자성 물질 물리학에서 잘 연구된 상전이가 1,500개 뉴클레오타이드의 임계 유전자 길이에서 발생했다는 결론이 도출되었습니다. 이는 진핵생물 발생을 특징짓는 것으로, 생명의 진화를 코딩 단계(원핵생물)와 비코딩 단계(진핵생물)의 두 가지 뚜렷한 단계로 구분합니다. 또한, 이러한 전이의 특징적인 현상, 즉 임계 감속(critical slowing) 현상이 관찰되는데, 이는 시스템의 역학이 임계점 주변의 여러 준안정 상태에 갇히는 현상입니다. 발렌시아 대학교의 페르난도 발레스테로스 박사는 "이는 초기 원생생물과 균류에서 입증됩니다."라고 말했습니다.

취리히 대학교의 조르디 바스콤프테 교수는 "상전이는 알고리즘적이었다"고 덧붙였습니다. 짧은 단백질을 사용하는 LUCA와 유사한 코딩 단계에서 단백질과 그에 상응하는 유전자의 길이를 늘리는 것은 계산적으로 간단했습니다. 그러나 단백질 길이가 증가함에 따라 더 긴 단백질을 찾는 것은 불가능해졌습니다. 유전자는 이전과 같은 속도로 성장하는 반면 단백질은 그렇지 못하여 발생한 이러한 긴장감은 비코딩 서열을 유전자에 통합함으로써 지속적이면서도 급격하게 해소되었습니다. 이러한 혁신을 통해 새로운 단백질을 찾는 알고리즘은 전사와 스플라이싱을 번역과 분리하는 스플라이소좀과 핵을 통해 계산 복잡성을 급격히 감소시켰고, 비선형화되었습니다. 이는 본 연구의 대상이 된 상전이의 임계점인 26억 년 전에 발생했습니다.

최근 PNAS 에 게재된 이 연구는 필수적인 질문에 대한 답을 제시할 뿐만 아니라, 계산생물학, 진화생물학, 물리학을 결합한 학제적 연구입니다. 마인츠 대학교 유기체 및 분자 진화 연구소의 엔리케 무로 박사는 "이 연구는 다양한 분야의 폭넓은 독자들에게 흥미를 불러일으킬 뿐만 아니라, 다른 연구 그룹들이 에너지 이론이나 정보 이론과 같은 다양한 연구 분야를 탐구할 수 있는 토대가 될 잠재력을 가지고 있습니다."라고 강조했습니다.

지구 생명체 진화 역사상 가장 큰 복잡성 증가를 보인 진핵세포는 상전이로 등장하여 다세포성, 성(性), 사회성과 같은 다른 주요 전이로 이어지는 길을 열었습니다. 이러한 전이들은 오늘날 우리가 알고 있는 지구의 생명체를 형성했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250421163507.htm