박테리아 - 나침반 제작의 대가 : 자기장을 감지하는 박테리아는 설계를 가리킨다.

미디어위원회

2023-06-08

박테리아 - 나침반 제작의 대가

: 자기장을 감지하는 박테리아는 설계를 가리킨다.

(Bacteria—master compass builders)

David Thomas

나침반(compasses)은 항해 역사에서 중추적인 역할을 했다. 그러나 인간이 그것을 발명하기 오래 전부터, 극히 작은 박테리아도 나침반 바늘을 제작하여 항해하는 데 사용하고 있었다. 이 박테리아는 전 세계 거의 모든 수생 환경에 서식한다.

다윈은 그의 유명한 책 ‘종의 기원(On the Origin of Species)’에서 다음과 같이 말했다 : “만약 수많은 연속적이고 약간의 변형으로 형성될 수 없는 복잡한 기관이 존재한다는 것이 증명될 수 있다면, 나의 이론은 완전히 무너질 것이다.”[1] 이에 발맞춰 유명한 진화론자인 할데인(J.B.S. Haldane)은 진화는 “매우 완벽할 때까지 쓸모가 없는, 바퀴(wheel)와 자석(magnet)과 같은 여러 메커니즘”들을 결코 만들어낼 수 없을 것이라고 주장했었다.[2] 그러나 할데인이 이러한 주장을 한 이후로, 자석과 바퀴(축 주위를 회전하는 원형 구성 요소의 기계)가 다른 많은 생물에서 뿐만 아니라, 많은 박테리아 종들에서 발견되었다.

.그림 1. 지구 자기장의 곡률 때문에, 아래쪽으로 이동하려는 박테리아는 북반구에서는 자북쪽으로 이동하고, 남반구에서는 자남쪽으로 이동한다.

박테리아는 그것을 어떻게 항해에 이용하는가

사람이 만든 나침반 바늘이 수동적으로 북쪽을 향하게 하는 것과 같은 방식으로, 나침반 바늘은 수동적으로 세포를 북쪽이나 남쪽을 향하여 돌리는 것으로 보인다. 그러나 일부 박테리아 종은 자기 항해를 최적화하기 위해 자기장 강도의 변화도 측정한다는 증거가 있다. 이것은 그 시스템이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 가리킨다.

이들 박테리아가 어느 방향이 북쪽인지 알아야 하는 이유는 무엇일까? 물기둥과 퇴적물에서, 위쪽에는 산소가 있고, 아래쪽에는 산소가 거의 없다. 주자성(자기주성) 박테리아(magnetotactic bacteria, 지구의 자기장을 감지할 수 있는 박테리아)는 산소 농도가 낮은 층에서 살기를 좋아한다. 박테리아가 산소 농도가 높은 곳에서 수영을 하면, 산소 농도가 낮은 아래쪽으로 수영해갈 필요가 있다. 이 일에 나침반 바늘이 관여한다.

자기력선은 지구의 자기 남극(magnetic south pole)에서 자기 북극(magnetic north pole)으로 이동하는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나 그들은 또한 지구의 남반구에서 나와 지구의 북반구로 다시 구부러진다(그림 1). 따라서 아래쪽으로 이동하려는 박테리아는 북반구에서는 자북으로 이동하고 남반구에서는 자남으로 이동한다. 만약 이 박테리아가 반구 사이를 이동한다면, 아래쪽 방향은 이제 자기장에 대해 반대 방향이라는 것을 곧 알게 된다. 또한 박테리아는 무작위의 3차원 수영이 아니라, 자기력선을 따라 앞뒤로만 이동하기 때문에, 최적의 성장 조건을 더 빨리 찾을 수 있다.

이러한 나침반은 이들 미생물의 복잡한 항해 시스템의 한 구성 요소일 뿐이다. 세포의 항해 시스템(단기 기억을 포함)은 주변 환경의 다양한 측면을 감지하는 센서 어레이(sensor arrays)에서 들어오는 수천 가지 신호들을 처리한다. 그런 다음 출력 신호는 세포의 모터(아래 박스의 ‘놀랍도록 설계된 모터’ 참조)로 전달되어, 세포를 최적의 성장 조건(환경)으로 나아가도록 조종한다.

나침반 만들기

박테리아 안에 나침반 바늘을 만드는 것은 놀라운 공학적 위업이다. 여러 분자 기계들에 의한 매우 높은 수준의 제어와 조절이 필요하다. 바늘은 광물 자철석(magnetite, Fe3O4), 또는 때때로 황화철(greigite, Fe3S4)의 자성 결정들로 만들어진다.

이 과정은 마그네토솜(magnetosomes)이라고 불리는 수많은 ‘반응 챔버’들로 구성된 박테리아 세포에서 시작된다. 각각은 세포의 내막을 안쪽으로 접어, 구형의 구획(spherical compartment, 거품과 같은)을 형성함으로써 만들어진다. 복잡한 생산 라인을 통해 세포 안에 있는 기계들은 DNA에 있는 지침에 따라 특수 단백질들을 제조한다. 그런 다음 이 단백질들을 분류하여, 마그네토솜 막에 삽입한다. 그런 다음 조정된 단계적 방식으로, 더 많은 분자기계들에 의해 변경(modify)된다. 단백질들은 미세 조정된 매개변수 내에서 마그네토솜 내부의 조건을 유지하는 분자 장치로서 기능을 하는, 더 큰 구조를 형성하도록 연결된다. 이것은 결정들이 성장하도록 지원하는 데 필요하다. 특히, 철의 농도, 산화환원 전위, pH(산-염기 균형)를 조절한다.

그림 2. 대장균(E. coli)의 철 저장 용기 외부(위)와 내부(아래).

세포는 주변 환경에서 철(iron)을 수확하는데, 센서와 분자 기계들의 복잡한 시스템을 통해 철을 가져온다. 여기에는 철 운송 기계에 동력을 공급하는 한 작은 전기 모터가 포함된다. 철은 내부에 들어가면, 독성이 있으므로 조심스럽게 다루어야 한다. 박테리아는 이러한 위험을 관리하기 위해, 복잡하고 고도로 조절되는 시스템을 갖고 있다. 그들은 필요할 때까지 철을 특수 단백질 용기 안에 보관한다(그림 2). 분자기계는 철을 용기 안에서 포장하기 전에, 보관을 위해 화학적으로 변경한다.

그리고는 철은 결정(crystal) 형성을 시작하기 위해 마그네토솜 내부로 수송된다. 결정 성장은 고도로 조절되어, 각각의 마그네토솜 내부에서 단 하나의 결정만 성장하는 것으로 나타난다. 결정이 성장함에 따라 10가지 이상의 서로 다른 유형의 단백질들이 크기와 모양을 미세 조정하여, 그것들을 매우 균일하게 만든다.

다른 박테리아 종은 다른 크기와 모양의 결정을 만든다. 세포당 결정의 수도 엄격하게 조절되는 것으로 보인다. 충분히 강한 나침반 바늘을 만들기 위해서는 충분한 결정이 필요하지만, 여분의 바늘을 만드는 것은 에너지 낭비이다. 이 복잡한 조절은 강력한 자기장과 균일한 크기 분포를 가진, 매우 고품질의 결정들을 생성한다.[3] 이로 인해 “산업 및 의료 응용 분야에서... 점점 더 많이 찾는 결정”들이 만들어진다.[4] 인간은 그러한 고품질의 자기 나노결정( magnetic nanocrystals)을 생산하기 위해 고군분투해 왔다.

그림 3. 마그네토솜 내부의 자기 결정을 보여주는, 자성 박테리아(Magnetospirillum gryphiswaldense)의 나침반 바늘(compass needle).

마지막으로 결정은 하나 또는 여러 개의 나침반 바늘 안으로 조립된다(그림 3). 긴 케이블 모양의 섬유는 세포의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 구성되어, ‘자기골격(magnetoskeleton)’이라 불리는 복잡한 기계적 골격(scaffold, 비계)을 형성한다.[5] 더 많은 기계들이 관여하는 조절된 과정으로, 마그네토솜은 자기골격에 부착되고, 이를 따라 이동하여 긴 결정 사슬이 형성된다. 자기골격은 결정들 사이의 자기력(인력)으로 인해, 바늘들이 스스로 구부러지거나, 무너지는 것을 방지할 수 있는, 강력한 설계를 가져야 한다. 완성된 나침반 바늘은 이제 “하나의 극도로 효율적인 자기 센서”로 기능할 수 있게 되는 것이다.[4]

일부 박테리아의 세포는 코르크 마개처럼 나선형(helical)이다(그림 3). 이들 세포 안에 나침반 바늘을 직선형으로 만들고, 제자리에 고정하고, 바늘들을 세포의 수영하는 축과 완벽하게 정렬시키는 일은 상당히 어려운 공학적 도전이다. 그러나 이들 박테리아는 이를 할 수 있었다. 그들이 어떻게 하는지는 더 많은 연구의 주제이다.[3] 만약 바늘들이 올바르게 정렬되어있지 않다면, 자기력이 바늘을 약간 다른 방향으로 당기기 때문에, 세균은 수영 시에 넘어질 것이다.

세포 분열 동안 마그네토솜 사슬의 분리

박테리아가 두 개의 새로운 세포로 분열하여 번식할 때, 그들의 나침반 바늘은 절단되어야 하고 두 세포 사이에 균등하게 분할되어야 한다. 바늘들은 분할 부위에 정확하게 위치하며, “중간 사슬에서 가능한 최고의 정밀도”로 절단되고 있으며, “예기치 않게 높은 정확도”로 두 개의 세포로 분리된다.[6] 반으로 나뉘어진 두 개의 바늘들이 서로 자기적으로 끌어당기는데, 그것들을 분리하는 것은 이 박테리아가 극복해야 하는 또 다른 공학적 도전이다. 박테리아는 더 많은 분자기계들과 구조 비계를 조절하고 사용하는 일종의 지렛대 메커니즘(leverage mechanism)을 사용하여, 이를 수행하는 것으로 보인다. 두 개의 절반 바늘들은 완전한 바늘로 성장하고, 두 개의 새로운 세포 각각의 중간으로 운반된다. 바늘들이 어떻게 운반되고 제자리에서 완벽하게 멈추는지는 아직 알려지지 않았지만, 고도로 조절되고 있는 것으로 보인다.

결론

박테리아는 ‘원시적(primitive)’인 생물과는 거리가 멀다. 그들은 매우 우수한 고품질의 나침반 바늘들을 제조하고, 복잡한 전기 모터를 가지고, 자력선을 따라 항해하는 데, 그것들을 사용할 수 있다. 이들 놀라운 항해 장치에 대해 아직 배워야할 것이 많이 있다. 한 연구원이 말했듯이 “[박테리아의 자기 항법(magnetic navigation)]은 여전히 발견을 기다리고 있는 예상치 못한 정교한 기능들을 갖고 있다”는 것이다.[7] 이러한 발견은 의심할 여지없이 하나님의 창조적 지성을 계속해서 드러내고, (무작위적 과정인) 진화를 통해서 설명하기는 훨씬 더 어려워지는 것이다.

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놀랍도록 설계된 모터

주자성 박테리아(magnetotactic bacteria)는 편모(flagella)라고 불리는 긴 나선형 프로펠러를 회전시키는 정교한 전기 모터를 사용하여 수영한다. 이러한 모터에는 인간이 설계한 모터의 부품과 유사한 기능을 수행하는 부품들이 많이 있다. 이들 부품에는 기어, 회전자, 굴대, 구동축, 베어링통, 볼베어링과 유사한 베어링, 오일과 같은(지질) 윤활제, 구조용 비계, 힌지, 유니버설 조인트, 기타 조인트 유형, 어댑터 링, 스위치, 고정자, 축전기 및 센서 등이 포함된다.[1] 한 주자성 종은 여기에 설명된 것처럼, 생물에서 가장 복잡하고 강력한 엔진 중 하나를 갖고 있다. 이 엔진은 여러 개의 조정된 모터들로 구성되어 있으며[2], 박테리아가 초당 몸 길이의 200배 이상을 헤엄칠 수 있도록 해준다.[3] 나침반 바늘과 마찬가지로, 이러한 전기 모터와 공장과 같은 프로그래밍된 구조는 그들이 단지 지능이 없는 물질에서 우연히 발생했다는 개념에 심각한 장애물이 되고 있다.

1. Thomas, D., E. coli’s electric motor: a marvel of design, Creation 44(1):42–45, 2022; creation.com/e-coli-motor.

2. Ruan, J., and 8 others, Architecture of a flagellar apparatus in the fast-swimming magnetotactic bacterium MO-1, pnas.org, 11 Dec 2012. See also creation.com/7motors1.

3. Bente, K. and 7 others, High-speed motility originates from cooperatively pushing and pulling flagella bundles in bilophotrichous bacteria, elifesciences.org, 18 Jan 2020.

<Image: Drawn by author based on data from Ruan et al.>

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자기 공생(magnetic symbiosis)

원생생물(protists)은 박테리아와 달리, 핵을 가진 단세포 생물체의 큰 그룹으로, 예를 들어 아메바(amebae)와 같은 생물이다. 편모(박테리아 편모와는 근본적으로 다르고 훨씬 더 복잡한 디자인)를 사용하여 헤엄치는 원생생물의 한 종은 헤엄치지 못하는 자성 박테리아 종을 자신의 몸에 부착하고 있다. 이 원생생물의 표면은 이러한 박테리아로 덮여 있으며, 이 박테리아들은 모두 지구의 자기장에 맞춰 정렬된다. 이렇게 하면 원생생물과 자기장이 정렬되어, 두 종은 사실상 한 자성 초유기체(magnetic superorganism)가 된다. 원생생물은 지구 자기장을 따라 이동할 수 있다는 이점이 있고, 박테리아는 혼자서 헤엄칠 수 없기 때문에 박테리아도 이득을 얻는다. 두 종은 또한 일부 대사산물을 교환하고 있다.

.Monteil, C. and 15 others, Ectosymbiotic bacteria at the origin of magnetoreception in a marine protist, Nature Microbiology 4:1088–1095, 2019.

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Further Reading

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References and notes

1. Darwin, C., Origin of Species, New York University Press, 1872.

2. Is evolution a myth? A debate between D. Dewar and L.M. Davies vs J.B.S. Haldane, Watts & Co. Ltd / Paternoster Press, 1949. See also Thomas, B., Virus motors impossible for evolution, icr.org, 9 Jan 2009.

3. Mül er, F. and 2 others, A compass to boost navigation: Cell biology of bacterial magnetotaxis, J. Bacteriol., journals.asm. org, 8 Oct 2020.

4. Moisescu, C. and 2 others, The effect and role of environmental conditions on magnetosome synthesis, Front. Microbiol., frontiersin.org, 11 February 2014

5. Toro-Nahuelpan M. and 7 others, MamY is a membrane-bound protein that aligns magnetosomes and the motility axis of helical magnetotactic bacteria, Nat. Microbiol., nature.com, 29 Jul 2019.

6. Toro-Nahuelpan M. and 5 others, Segregation of prokaryotic magnetosomes organelles is driven by treadmilling of a dynamic actin-like MamK filament, BMC Biol., bmcbiol.biomedcentral.com, 12 Oct 2016.

7. Mül er F., Perfect navigation: How to fit a compass needle into a helical bacterium?, naturemicrobiologycommunity.nature.com, 2 Aug 2019.

*DAVID THOMAS.

David Thomas (a pen name) is currently studying biological sciences at university. He was introduced to CMI materials through his parents, both in science fields. David is actively involved in creation apologetics.

*참조 : 박테리아의 편모는 많은 모터들로 이루어져 있었다 : 더욱 복잡한 것으로 밝혀진 지적설계의 상징물

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