진화를 부정하는 세포소기관 : 리소좀 : 창조 설계-생명 [한국창조과학회 자료실]

진화를 부정하는 세포소기관 : 리소좀

미디어위원회

창조설계-생명체

2023-06-15

진화를 부정하는 세포소기관 : 리소좀

(Cell Organelles that Defy Evolution : The Lysosome)

by Jerry Bergman, PhD

새로운 연구에 따르면, 리소좀 시스템이 이전에 믿었던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것이 증명되었다.

다윈 당시의 세포(cell)에 대한 이해는 오늘날의 지식과는 완전히 대조적으로, 세포는 단순한 구조, 즉 액체, 효소, 화학물질들의 집합체로 이해됐었다.[1] 오늘날 세포는 불과 몇 년 전에 알려진 것보다 훨씬 더 복잡한 것으로 밝혀지고 있다. 이러한 경향은 모든 세포 소기관(cell organelle)들에서 사실이다. 세포질의 주요 소기관들(그림 1 참조)은 다음과 같다: (1)핵소체, (2)핵, (3)리보솜, (4)소포체, (5)조면소포체, (6)골지체, (7)세포골격, (8)활면소포체, (9)미토콘드리아, (10)액포, (11)사이토솔, (12)중심체, (13)리소좀이 있다. 최근 독일의 본 대학(University of Bonn)의 연구 결과에 의하면, 수십 년 동안 가장 단순한 세포소기관으로 여겨졌던 리소좀(lysosome)은 훨씬 더 복잡한 구조라는 사실이 밝혀졌다.

그림 1. 세포의 기본 소기관들. < From Wikimedia Commons.>

리소좀의 중요성

본 대학의 연구팀은 리소좀(lysosomes)이라고 불리는 포유류 동물세포의 주요 분해 소기관에 초점을 맞췄다. 리소좀은 다른 세포 소기관들을 용해(lyse)하여 구성 요소로 분해하므로, 세포의 재활용 시설(recycling facility) 역할을 한다. 또한 세포의 폐기물 처리-재활용 시스템의 핵심 부분이기도 하다. 현미경으로 보면, 리소좀은 지방과 같은 막으로 둘러싸인 작은 거품처럼 단순해 보인다. 리소좀은 다른 세포소기관인 골지체(Golgi apparatus)에서 발아하여 형성된다. 리소좀 내의 가수분해 효소들은 소포체(endoplasmic reticulum, ER)에서 만들어진다. 이 효소들은 만노스-6-인산 분자(mannose-6-phosphate molecule)로 꼬리표(tag)가 부착되어 골지체로 운반된 다음, 리소좀 안으로 옮겨진다.

리소좀에는 60가지가 넘는 소화 효소(digestive enzymes)들이 들어 있다. 이러한 효소들은 결함이 있는(손상 당한) 세포 성분들을 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산과 같은 각 부분으로 분해한다.[2] 이러한 부분들은 세포의 다른 부분이나 다른 세포들에서 사용될 수 있다.[3] 리소좀의 가수분해 효소들은 세포의 나머지 부분에 존재하는 중성 pH(=7)이 아닌, 산성 pH(<7)를 필요로 하기 때문에, 리소좀의 pH는 약산성(약 pH 5)이다. 따라서 위장(stomach)에서처럼, 리소좀은 이 산성 pH를 생성하고 유지하도록 설계되었다.

리소좀은 동물 세포와 인간 세포에서만 존재하며, 인간 세포 하나에는 약 300개에 가까운 리소좀들이 포함되어 있다. 리소좀에는 프로테아제(proteases), 아밀라아제(amylases), 뉴클레아제(nucleases), 리파아제(lipases), 산성 포스파타제(acid phosphatases) 등 다양한 유형의 효소들이 포함되어 있다. 리소좀은 비교적 단순한 구조이지만, 60여 가지의 다양한 소화 효소들은 매우 복잡한 분자들로서, 이 분자들이 소화 기능을 갖은 채로 리소솜으로 운반되도록, 세포 DNA의 코딩, 전사, 번역, 접힘, 운송 기능 등에 관한 모든 유전정보들이 암호화되어 있음에 틀림없다. 이러한 기능들에는 잘못 작동하는 세포 소기관들을 파괴하는, 자가포식(autophagy)이라는 과정이 포함되어 있다.

리소좀의 작용

식세포라고 불리는 백혈구(white blood cells)는 침입한 박테리아를 섭취한다. 침입한 박테리아는 리소좀과 융합되어 있는 소포(vesicle)에 둘러싸이게 된다. 그런 다음 리소좀은 수성용해를 통해 병원균을 파괴하기 위해 가수분해 효소를 사용한다. 예를 들어, 식작용(phagocytosis, 그림 2)에서 혈장내 대식세포 막의 일부가 병원균을 함입시켜 삼켜버린다. 그런 다음 박테리아를 가둔 작은 낭은 리소좀과 융합되고, 가수분해 효소들이 작용하여 병원균을 파괴한다.

그림 2. 식균 작용의 단순화된 그림. <From Wikimedia Commons>

우리가 세포의 복잡성을 이해할 수 있는 많은 예들 중 하나는, 리소좀에 사용되는 효소들의 기능이다. 워싱턴 대학(University of Washington)의 연구팀은 효소인 단백질들이 물리적으로 어떻게 접히는지에 따라, 그 기능들이 달라진다고 말한다. 전 세계의 연구자들은 단백질들의 복잡한 구조와 기능들을 무수히 조사해왔다 ..... 단백질의 접힘(folding)은 어려운 종이접기(origami)에 비유될 정도로 복잡하다. 단백질의 접힘 과정은 원래 복잡한데... 풍동(wind tunnel)에서처럼, 수많은 다른 힘들이 종이를 잡아당기는 동안, 종이접기를 한다고 상상해 보라. 하지만 이러한 복잡한 단백질 접힘 과정을 포함하여, 지금 우리 몸 안의 수많은 세포들에서 일어나고 있는 일들과 단백질들이 하고 있는 일들은 너무도 복잡하다[4].

또한 리소좀은 리소좀 막(lysosomal membrane)을 통과하여 분자들의 운반, 영양소 감지, 리소좀과 다른 소기관과의 상호작용을 통한 대사산물의 교환 등 다양한 과정에 관여한다.[5] 따라서 리소좀은 세포의 기능에 매우 중요하다. 리소좀 없이는 진핵세포가 살아있을 수 없으며, 원핵세포가 진핵세포로 진화했다는 가정에 커다란 문제가 된다.

본 대학의 연구 결과

본 대학 연구팀은 결함이 있거나 더 이상 필요하지 않은 세포 구성 성분들의 분해 및 재활용이 세포의 유형에 따라 다르다는 사실을 발견했다. 또한 100개의 새로운 잠재적 리소좀 단백질들에 대한 증거를 발견했다.[6] 이 연구는 세포의 복잡성 수준에 대한 우리의 지식을 크게 향상시켰다 :

포유류 세포의 주요 분해 소기관인 리소좀은 신진대사 조절에 핵심적인 역할을 수행한다. 리소좀은 매우 활동적이고, 다양하며, 매우 다양한 과정들에 관여한다는 사실이 점점 더 명확해지고 있다. 리소좀의 필수적인 역할은 리소좀의 기능장애 시에 발생하는 유해한 결과로부터 알 수 있는데, 리소좀 축적 질환(lysosomal storage disorders, LSD), 신경 퇴행성 질환, 암 등을 초래할 수 있다.[7]

또한 리소좀 연구는 세포 유형에 따른 리소좀의 특정 차이점들에 대한 증거를 보여주며, "다른 단백질들의 발현은 여러 세포주(cell lines)에 걸쳐 매우 잘 보존되어 있으나, 독특한 리소좀 단백질들의 수준은 한 세포의 유형 내에서 매우 가변적이다"라고 설명하고 있었다.[8]

진핵생물 세포기관들의 복잡성과 설계에 대한 이해도가 높아짐에 따라, 과거 원핵생물(prokaryotic cell)에서 진핵생물(eukaryotic cell)로의 진화 가설은 타당성이 없음이 밝혀지고 있다. 그 결과, 진핵세포의 기원에 대한 일반적인(진화론적) 설명인 ‘세포 내 공생설(endosymbiosis)’은 더욱 설득력이 없어졌다.[9] 이 세포 유형에 필요한 세포소기관들은 반드시 하나의 세트로 존재해야 하며, 하나의 세트로 기능한다. 따라서 이 시스템은 ‘한 요소도 제거 불가능한 복잡성(irreducibly complex, 환원 불가능한 복잡성)’인 것이다.

.진핵세포와 비교한 원핵세포. 원핵생물의 세포는 진핵생물의 세포에 비해 매우 단순하다. <From Wikimedia Commons>.

요약

모든 동물 세포에서 작동되고 있는 리소좀은 ‘한 요소도 제거 불가능한 복잡성’을 갖고 있는 소기관이다. 본 대학의 연구자들에 의해, 리소좀은 이전에 알려진 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것이 밝혀졌다. 이제 각 세포 유형에 존재하는 것으로 나타난 차이점들과, 100개의 새로운 잠재적 리소좀 단백질들의 기능과 특별한 특성들에 대해서도 연구해야 한다. 따라서 이들의 연구 결과는 이전의 "단순한" 것으로 생각했던 세포소기관의 복잡성에 대한 우리의 이해도를 크게 향상시킬 수 있는 새로운 연구 영역의 문을 열고 있었다.

References

[1] Therapeutics 1. Section 2:3. U.S. Army Medical Department, Sam Houston, TX, 2023.

[2] Maxfield, Frederick R., et al. Lysosomes: Biology, Diseases, and Therapeutics. John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 2016.

[3] Xu, H., and D. Ren. Lysosomal physiology. Annual Review of Physiology 77:57–80, 2015.

[4] Neary, Walter. Proteins are vastly more complicated than previously realized. University of Washington News. https://www.washington.edu/news/2001/05/01/proteins-are-vastly-more-complicated-than-previously-realized/, 1 May 2001.

[5] Ballabio, Andrea, and Juan S. Bonifacino. Lysosomes as dynamic regulators of cell and organismal homeostasis. Nature Review of Molecular Cell Biology 21(2):101–118, 25 November 2019.

[6] University of Bonn. Cellular waste removal differs according to cell type. Study identifies different types of so-called lysosomes. Science Daily. https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230316114038.htm, 16 March 2023.

[7] Akter, Fatema, et al. Multi–Cell Line Analysis of Lysosomal Proteomes Reveals Unique Features and Novel Lysosomal Proteins. Molecular & Cellular Proteomics 22(3):100509, 14 February 2023.

[8] Akter, et al., 2023.

[9] Bergman, Jerry. Research has overturned endosymbiosis: The unbridgeable gap between prokaryotes and eukaryotes remains. Journal of Creation 35(1):38-47, 2021.

*참조 : 동물 세포에서 새로운 소기관이 발견되었다.

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