과학자들이 생명의 첫 단계를 재현하다: 아미노산과 RNA 연결

UCL 화학자들은 간단한 물 화학에서 아미노산이 RNA와 연결될 수 있음을 보여주었으며, 이는 생명체 최초의 단백질이 어떻게 형성되기 시작했는지를 설명할 수 있습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

UCL의 화학자들은 생물학의 가장 기본적인 성분인 RNA(리보핵산)와 아미노산이 40억 년 전 생명의 기원에서 자발적으로 결합될 수 있었음을 보여주었습니다.

아미노산은 단백질의 구성 요소이며, 거의 모든 생명 과정에 필수적인 생명의 "일꾼"입니다. 하지만 단백질은 스스로 복제하거나 생성할 수 없으며, 지시가 필요합니다. 이러한 지시는 DNA(디옥시리보핵산)의 가까운 화학적 사촌인 RNA에 의해 제공됩니다.

Nature 에 발표된 새로운 연구에 따르면 , 연구진은 지구 초기와 유사한 환경에서 생명체의 아미노산을 RNA와 화학적으로 연결했습니다. 이는 과학자들이 1970년대 초 이래로 이루지 못했던 성과입니다.

UCL 화학과의 수석 저자인 매튜 파우너 교수는 이렇게 말했습니다. "생명은 단백질 합성 능력에 의존합니다. 단백질은 생명의 핵심 기능 분자입니다. 단백질 합성의 기원을 이해하는 것은 생명의 기원을 이해하는 데 필수적입니다.

"우리의 연구는 RNA가 어떻게 처음으로 단백질 합성을 제어하게 되었는지 보여주는, 이 목표를 향한 큰 진전입니다.

오늘날 생명체는 단백질을 합성하기 위해 엄청나게 복잡한 분자 기계인 리보솜을 사용합니다. 이 기계는 메신저 RNA로 작성된 화학적 지시 사항을 필요로 하는데, 메신저 RNA는 세포의 DNA에서 리보솜으로 유전자 서열을 전달합니다. 그러면 리보솜은 공장의 조립 라인처럼 이 RNA를 읽고 아미노산을 하나씩 연결하여 단백질을 생성합니다.

"우리는 중성 pH의 물에서 매우 간단한 화학 반응을 이용하여 아미노산을 RNA에 연결하는 복잡한 과정의 첫 번째 단계를 달성했습니다. 이 화학 반응은 자발적이고 선택적이며, 초기 지구에서도 발생했을 가능성이 있습니다."

RNA에 아미노산을 부착하려는 이전 시도에서는 반응성이 매우 높은 분자를 사용했지만, 이 분자는 물에 분해되어 아미노산이 RNA에 결합되는 대신 서로 반응하게 되었습니다.

새로운 연구를 위해 연구진은 생물학에서 영감을 얻어 생명체의 아미노산을 반응성 있는 형태로 전환하는 더 부드러운 방법을 사용했습니다. 이러한 활성화 과정에는 티오에스터가 관여하는데, 티오에스터는 생명체의 여러 생화학적 과정에 중요한 역할을 하는 고에너지 화합물로, 이미 생명의 시작 단계에서 중요한 역할을 하는 것으로 이론화되었습니다*.

파우너 교수는 "우리의 연구는 생명의 기원에 대한 두 가지 주요 이론을 하나로 통합했습니다. 하나는 자기 복제 RNA가 근본 원인이라고 주장하는 'RNA 세계'이고, 다른 하나는 티오에스테르가 최초 생명체의 에너지원이라고 보는 '티오에스테르 세계'입니다."라고 말했습니다.

이러한 티오에스터를 형성하기 위해 아미노산은 판테테인이라는 황 함유 화합물과 반응합니다. 작년에 같은 연구팀은 판테테인이 지구와 유사한 초기 환경에서 합성될 수 있음을 보여주는 논문을 발표했는데, 이는 판테테인이 생명의 시작에 중요한 역할을 했을 가능성이 있음을 시사합니다.

연구자들은 다음 단계는 RNA 서열이 어떻게 특정 아미노산에 우선적으로 결합하여 RNA가 단백질 합성에 대한 지침을 코딩할 수 있는지, 즉 유전 코드의 기원을 확립하는 것이라고 밝혔습니다.

"생명의 기원을 완전히 밝히기 전에는 극복해야 할 문제가 많지만, 가장 어렵고 흥미로운 것은 단백질 합성의 기원을 밝히는 것입니다."라고 파우너 교수는 말했습니다.

UCL 화학과의 주저자 조티 싱 박사는 이렇게 말했습니다. "화학자들이 탄소, 질소, 수소, 산소, 황 원자로 구성된 단순하고 작은 분자들을 레고 조각들로 만들어 자가 복제가 가능한 분자를 만들어내는 날을 상상해 보세요. 이는 생명의 기원에 대한 의문을 해결하는 데 있어 기념비적인 진전이 될 것입니다.

"저희 연구는 두 가지 원시적 화학적 레고 조각(활성화된 아미노산과 RNA)이 생명에 필수적인 짧은 아미노산 사슬인 펩타이드**를 어떻게 만들 수 있었는지 보여줌으로써 그 목표에 한 걸음 더 다가가게 했습니다.

특히 획기적이라고 할 수 있는 것은 이 연구에 사용된 활성화 아미노산이 티오에스터라는 점입니다. 티오에스터는 모든 살아있는 세포에서 발견되는 화학 물질인 코엔자임 A에서 만들어진 분자의 일종입니다. 이 발견은 신진대사, 유전 암호, 그리고 단백질 생성을 잠재적으로 연결할 수 있습니다.

이 논문은 화학에만 초점을 맞추고 있지만, 연구팀은 자신들이 보여준 반응은 초기 지구의 물웅덩이 또는 호수에서 일어났을 가능성이 있다고 밝혔습니다(그러나 바다에서는 화학 물질의 농도가 너무 희석될 가능성이 높기 때문에 일어날 가능성은 낮습니다).

이러한 반응은 가시광선 현미경으로는 볼 수 없을 만큼 작았고, 분자 구조를 탐구하는 데 사용되는 다양한 기술을 사용하여 추적했습니다. 여기에는 원자의 배열 방식을 보여주는 여러 유형의 자기공명영상(MRI)과 분자의 크기를 보여주는 질량분석법(Mass Spectrum Analysis)이 포함됩니다.

노트

*노벨상 수상자인 크리스티앙 드 뒤브는 생명이 "티오에스터 세계"에서 시작되었다고 제안했습니다. 이는 생명이 티오에스터의 에너지로 작동하는 화학 반응에 의해 시작되었다고 생각하는 신진대사 우선 이론입니다.

** 펩타이드는 일반적으로 2개에서 50개의 아미노산으로 구성되는 반면, 단백질은 더 크고 수백 개 또는 수천 개의 아미노산을 포함하며 3차원 형태로 접혀 있습니다. 연구팀은 연구의 일환으로 아미노산이 RNA에 적재되면 다른 아미노산과 합성되어 펩타이드를 형성하는 과정을 보여주었습니다.

이 연구는 공학 및 물리과학 연구 위원회(EPSRC), 사이먼스 재단, 왕립학회의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250828002406.htm