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창조설계

DNA의 이중 나선을 푸는 모터, 국소이성화효소 : ‘한 요소도 제거 불가능한 복잡성(환원 불가능한 복잡성)’의 한 사례

미디어위원회
2019-08-26

 DNA의 이중 나선을 푸는 모터, 국소이성화효소

: ‘한 요소도 제거 불가능한 복잡성(환원 불가능한 복잡성)’의 한 사례

(God’s DNA-detangling motors: The topoisomerase enzymes)

Jonathan Sarfati 


   모든 생명체들은 믿을 수 없을 만큼 놀라운 분자기계들과 그것을 만들 수 있는 ‘지침 설명서’를 갖고 있다. 안내 책자에는 기계를 작동하는 방법에 관한 정보가 문자로 쓰여 있다. 마찬가지로 생명체 내의 지침 설명서는 DNA 분자에 화학적 암호 ‘문자’(뉴클레오티드의 순서)로 쓰여져 있다.

더욱이, 이 지침 설명서는 다음 세대로 복사가 된다. 당신은 어머니의 눈과 아버지의 귀를 직접 받은 것이 아니다. DNA에 복사된, 어머니의 눈과 아버지의 귀를 제조하는 지침서를 물려받은 것이다.(아래의 부록 참조).

가장 단순한 생명체라도 기능을 하려면, DNA의 물리적 크기로 인해 해결되어야 할 많은 문제들을 갖고 있다. DNA의 이중 나선 구조는 그 폭이 약 2.5나노미터(1천만 분의 1인치)로, 너무 얇아서 어떤 광학현미경으로도 볼 수 없다. 그러나 전체 DNA 분자는 극도로 길다. 사람의 가장 큰 1번 염색체는 2억2천만 글자로 구성되어 있으며, 전부 펼치면 길이가 85mm(3.4인치)가 된다. 당신 세포 안에 있는 모든 DNA를 한 줄로 연결하면, 길이가 약 2m가 된다! 엄청나게 길고, 극도로 얇으며, 끈적끈적한 가닥이 미세한 세포 네에 채워져 있어야 하기 때문에, 엉키거나, 매듭이 생기지 않고, 유지되어야 한다. 세포는 이 모든 일을 수행하기 위해 복잡한 분자기계들이 필요하다. 이 기계들은 놀랍도록 복잡하며, 우리 창조주 하나님의 전지하심에 대한 증거가 되고 있다.


이중 나선을 풀기

DNA가 해독될 때(즉, 단백질 정보가 사용될 때), 이중 나선의 두 가닥이 분리되어야 한다. 그리고 재생산되는 동안, 각 가닥은 독립적으로 복사된다.

여기에는 DNA 헬리카제(DNA helicases)라 불리는 특수 모터가 필요하다. 그것들은 DNA가 통과할 수 있는 구멍이 있는 링 모양이다. 그러나 모터이기 때문에 역시 연료가 필요하다. 헬리카제는 ATP라고 불리는 ‘연료’에 의해 구동되는데, ATP는 또 다른 모터인 ATP 신타아제(ATP-synthase)에 의해 만들어진다.[1] 에너지원으로 ATP를 사용하면서, 모양은 주기적으로 변화하고, 약 10,000 rpm의 속도로 헬리카제 링 주위를 달리는데, 이 속도는 제트 엔진 터빈이 회전하는 속도이다. 헬리카제는 DNA를 따라 빠르게 달리며, 복제 갈래(replication fork)에서 두 가닥을 분리한다.[2] 그런 다음, 많은 다른 분자기계들이 DNA를 해독하고, 가닥을 다시 모으거나, 가닥을 복사한다. 이것은 DNA 복사 속도가 초당 1,000자이고 헬리카제가 복사기보다 앞서야하기 때문에, 매우 빠르게 실행되어야 한다.


과도한 꼬여짐

DNA의 나선형(뚤뚤 말린) 모양은 헬리카제가 그것을 풀어서 가닥을 분리할 때, 늘어나는 또 다른 문제를 일으킨다. 여러분은 여러 가닥으로 꼬여진 긴 밧줄로, 그 문제를 쉽게 시연해볼 수 있다. 가운데서부터 시작하여 가닥을 양쪽으로 당겨보라. 곧 분리점의 양쪽에 또 다른 비틀림 저항이 생겨서, 풀기가 매우 어려워질 것이다. 다시 놓으면, 밧줄은 원래 모양으로 다시 감기려고 할 것이다. 오래된 유선 전화기의 감겨진 전화줄을 생각해보라. 전화줄은 꼬인데 위에 또 꼬여지면서 쉽게 얽히는 것을 알 수 있다. 앞 방향으로 꼬임이 일어나는 것을 보완하려면, 풀리는 위치 뒤쪽의 DNA에 꼬임을 추가시키고, 또한 슈퍼 코일(많이 감김)이 되어야 한다. 세포에서 DNA의 풀림이 방해되면, 세포는 더 이상 단백질을 만들지 못하거나, 스스로를 복제할 수 없다.

(그림) DNA 복제 또는 DNA 합성은 이중 가닥의 DNA 분자를 복제하는 과정이다. 이 과정은 우리가 알고 있는 한 모든 생명체들에서 가장 중요하다. 이것은 매우 복잡한 기계류에 대한 간단한 도표이다(예를 들면, 헬리카제는 DNA 가닥이 통과하는 고리 구조를 갖고 있다).


DNA의 이중나선을 푸는 분자기계

창조주께서는 살아있는 생명체 내의 이러한 문제를 국소이성화효소(topoisomerases)라 불리는 특별한 단백질 기계(효소)를 가지고 해결하셨다.[3] 국소이성화효소는 DNA를 자르고, 다시 배열하고, 다시 붙인다. 국소이성화효소는 DNA가 과도하게 감겨지는 것을 방지하기 위하여, 복제 갈래(replication fork)의 앞에서 작동되고 있다.

국소이성화효소에는 몇 가지 부류가 있지만, 2개의 주요 유형으로 분류된다 :

•TypeⅠ 국소이성화효소는 DNA 가닥 중 하나를 절단하고, 일시적으로 절단된 양끝에 접착된다. 그런 다음 절단되지 않은 가닥은 갈라진 틈으로 자유롭게 통과된다. 어느 경우이든, 이것은 한 번에 하나의 꼬임씩 변형을 해제하거나 ‘이완’시킨다. 마지막으로 절단된 틈을 다시 연결하는데, 이것을 결찰(ligation)이라고 한다.

유형 1의 국소이성화효소는 ATP를 필요로 하지 않는다. DNA의 과다 감김에 의해 축적된 에너지는 감겨진 스프링을 내버려 둘 때 그러하듯이, 단순하게 방출된다.

•Type II 국소이성화효소는 더 복잡하다. 이 유형은 이중 나선의 두 가닥을 다 자르고 그것을 따로 붙들고 있다. 그런 다음 절단되지 않은 부분에서 이중 나선의 루프를 갈라진 틈을 통하여 당겨온다. 그 후, 두 가닥이 재연결되고, 통과된 DNA가 방출되며, 마지막으로 효소가 재연결된 DNA를 방출하므로서, 그 과정을 필요한 대로 반복할 수 있다. 이 여러 단계에서 ATP가 필요하다.

유형 II의 국소이성화효소는 또 다른 이유 때문에 중요하다 : DNA가 복제될 때, 간혹 두 개의 ‘딸’ DNA 분자가 사슬의 고리처럼 서로를 감쌀 수 있다. 즉, 사슬 꼴로 연결될(catenated) 수 있다(라틴어 catena = 사슬). 따라서 이러한 연결된 분자들을 분리하는 것을 decatenation(분리)라고 하며, 이것이 유형 II의 국소이성화효소의 중요한 역할이다.


완전히 기능하지 않으면 쓸모없다.

이들 효소는 세 가지 일을 해야 하는데, 그렇지 않으면 전혀 쓸모없거나, 심지어 해로울 것이다: (1)절단, (2)절단된 곳을 통하여 다른 가닥을 이동시키기, (3)다시 연결하기. 각 단계가 얼마나 중요한지는, 어떤 한 단계라도 무능하게 되면, 그 효소는 작동하지 않고, 그 세포는 죽는다는 것이다.

사실 일부 항균제와 항암제는 국소이성화효소를 표적으로 삼고 있다. 플루오로퀴놀론계(fluoroquinolones, 예로 시프로플록사신(ciprofloxacin), 레보플록사신(levofloxacin))라고 불리는 항생제들은 세균성 유형 II 국소이성화효소의 재연결 단계를 멈추게 하여, DNA 속에 갈라진 틈을 증가시켜 세포를 빠르게 죽인다. 일부 항암제(예를 들어, 캠토테신(camptothecin), 토포테칸(topotecan))들은 통제되지 않고 재생되는 암세포에서, 유형 I과 유형 II의 국소이성화효소에 동일한 작용을 가한다.

촉매 억제제(catalytic inhibitors)라고 부르는 다른 부류의 약물은 ATP 에너지 방출을 막아서, 첫 번째 단계인 절단을 중단시킴으로써 작용을 한다. DNA가 조각으로 찢어져서 세포가 죽는 대신에, DNA가 엉키게 해서, 세포가 단백질들을 만들지 못하게 하여 세포의 번식을 억제한다.


진화론이 갖게 되는 문제

분명히 생명체 이전의 조건에서, 작고 점진적인 단계의 무작위적 화학반응들에 의해서, 첫 번째 세포를 만들어낼 수 없었다. 각각의 단계는 이전의 단계보다 더 나은 점이 있어야 하고, 자연선택이 이것을 선호해야 하는데, 이 과정에서 효소가 첫 번째 단계인 절단을 실행했다고 가정해 보자. 그것을 다시 모으지 않는다면, 이것은 정보 분자를 조각으로 절단하여 세포에 해를 입힐 것이다!

그러나 그것은 심지어 진화에 더 나쁘게 작용한다. 자연선택은 정의에 의하면 차등 번식(differential reproduction)이다 : 즉, ‘A가 B보다 더 적합하다’라는 말의 의미는 ‘A가 B보다 생존하는 후손이 더 많음’을 의미한다. 따라서 자연선택에는 최소한 두 개의 복제된 개체가 필요하다. 그래야 선택을 할 것이 아닌가? 이것은 DNA를 복제하는 방법을 갖기 전까지는 번식할 수 없기 때문에, 복제의 기원을 설명할 수 없다는 것을 의미한다. 그리고 우리가 보았듯이 국소이성화효소 없이는 DNA가 너무 빨리 엉키게 될 것이기 때문에, DNA를 복제할 수 없다. 자연선택은 첫 번째 국소이성화효소의 기원을 설명할 수 없으므로, 다윈의 진화론은 시작조차 하지 못하는 것이다.[4]

여전히 존재하는 또 다른 문제는 ‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐’ 문제이다.[5] 즉, 국소이성화효소를 만드는 지침(정보)은 DNA에 들어있다. 그러나 DNA를 푸는 국소이성화효소가 없으면, 이들 지침을 읽을 수 없다. 심지어 가장 간단한 유형 II 국소이성화효소도 두 개의 분절 사이에 800개의 ‘아미노산 암호’가 들어있다. 하나의 단백질을 암호화하는 데에는 3개의 DNA ‘철자’가 필요하기 때문에, 이를 위한 유전자는 길이가 약 2,400개의 철자이므로, 너무 길어서, 풀지 않고는 읽을 수 없다.

그리고 이 모든 지침들은 딸 DNA 가닥을 분리하는 유형 II 국소이성화효소가 없으면, 다음 세대로 넘어갈 수 없다. 살아있는 모든 생명체 중 가장 작은 유전체를 갖고 있는 마이코플라즈마 제니탈리움(Mycoplasma genitalium, 바이러스와 세균의 중간 성질을 지닌 미생물)의 DNA조차도 너무 커서 스스로 분리될 수는 없다.


결론

가장 단순한 생명체조차도 단백질을 만들거나 그것들을 자손에게 전달해 주기 위해서는, DNA 지침서를 읽을 수 있기 이전에, 국소이성화효소가 필요하다. 이들은 복잡하고 잘 설계된 분자기계로서, DNA를 절단하고, 이동시키고, 다시 연결한다. 그것들 없이는 재생산이 불가능하기 때문에, 무작위 돌연변이와 자연선택의 결합이라는 다윈의 진화로는 최초의 국소이성화효소를 만들어 낼 수 없다.


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(부록) DNA : 최고의 정보저장 시스템


DNA는 이 우주에서 가장 발달된 정보의 저장/검색/전송 시스템이다. 살아있는 세포의 DNA 정보 밀도는 약 1,000 테라바이트/입방 밀리미터이다.[1] 따라서 살아있는 세포는 아주 작은 공간에 엄청난 양의 정보를 저장할 수 있다. 가장 단순한 생명체인 마이코플라즈마는 세포 내 기생체로 약 600킬로바이트의 DNA를 가지고 있는 반면, 인간 세포 하나에는 약 3기가바이트를 갖고 있다.[2]


각각의 인간 세포에 들어있는 모든 정보를 종이와 잉크로 쓴다면, 성경 약 1,000권에 해당하는 막대한 량이다.[3] 그러나 잉크의 화학 성분에는 책의 정보를 생성할 수 있는 것이 아무 것도 없다. 종이에 잉크를 쏟아 부을 때, 정보가 생산되지 않는다! 정보는 저자가 잉크로 문자를 배열함으로써 생성된다. 정확히 동일한 방식으로, DNA의 ‘문자’를 이루는 화학성분에는 생명체의 메시지를 쓰게 하는 어떠한 것도 들어 있지 않다.


1. More details and documentation in Sarfati, J., DNA: the best information storage system, 9 October 2015; creation.com/dna-best. See also Batten, D., DNA repair mechanisms ‘shout’ creation, Creation  38(2):56, 2016; creation.com/dna-repair.

2.For simplicity, I treat each DNA ‘letter’ as a ‘byte’ of information, which is ‘in the right ball park’. In reality, since there are four possibilities at each locus, we could use two bits to store each letter, which would reduce the overall memory requirement by 4-fold. But, using one letter per byte, we have 3.17 billion base pairs (bp), and two copies of the genome in each cell, so 6.34 billion bp, or 5.90 GB.

3. Erb, K.E., [American] Tax code hits nearly 4 million words, Taxpayer Advocate calls it too complicated, forbes.com, 10 January 2013. For comparison, the KJV has almost 800,000 words. 

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References and notes

1. Thomas, B., ATP synthase: majestic molecular machine made by a mastermind, Creation  31(4):21–23, 2009; creation.com/atp-synthase.

2. A good description and video can be found in Unwinding the double helix: Meet DNA helicase, evolutionnews.org, 20 February 2013. Other fascinating videos can be found on DNA Learning Center, dnalc.org.

3. For more information, see DeWeese, J.E., DNA topoisomerases—the ‘relaxers’ and ‘unknotters’ of the genome, J. Creation 30(2):92–101, 2016. Dr Joe DeWeese of Lipscomb University, Nashville, Tennessee, has published many topoisomerase papers in leading secular science journals. See also the video Topoisomerase 1 and 2, youtube.com.

4. The proposed origin of life from non-living chemicals is commonly called chemical evolution.

5. The answer’s actually easy according to Scripture: God created the chicken on Day 5, which then laid the egg. Actually, to be precise, God made the galliform created kind that comprises heavy ground-living birds, which after the Ark diversified into chickens, partridges, pheasants, quail, turkeys, etc. Lightner, J., An initial estimate of avian ark kinds, Answers Research Journal 6:409–466, 2013.


*참조 : 4차원으로 작동되고 있는 사람 유전체 : 유전체의 슈퍼-초고도 복잡성은 자연주의적 설명을 거부한다. 

http://www.creation.or.kr/library/print.asp?no=6468



출처 : Creation Magazine Vol. 40(2018), No. 1 pp. 24-26

번역 : 이종헌

주소 : https://creation.com/dna-detangling-motors-topoisomerase




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