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KOREA  ASSOCIATION FOR CREATION RESEARCH

창조설계

대장균의 전기 모터 : 한 경이로운 설계

미디어위원회
2023-06-15

대장균의 전기 모터 : 한 경이로운 설계

(E. coli’s electric motor : a marvel of design)

by David Thomas


     당신은 '단순한' 대장균(E. coli)이 나노미터 크기의 정교한 전기 모터(electric motors)를 사용하여 장 속을 헤엄치고 있다는 사실을 알고 있는가? 이 초미세한 모터는 각각 채찍 모양의 편모(flagellum)를 분당 최대 22,800회의 초고속으로 회전한다.(일부 박테리아는 102,000rpm에 달한다![1]). 회전하는 편모는 프로펠러 역할을 한다. 대장균의 모터 폭은 약 45nm(나노미터, 10억 분의 1미터)로, 사람 머리카락 굵기에 걸쳐 2,000개를 일렬로 늘어놓을 수 있다! 진화론자들은 이를 "놀라운 나노 기계"[2], "정교한 회전 모터"[3], "분자 공학의 우아함을 보여주는 한 사례"[4]라고 부르고 있었다.

그림 1: 대장균의 전기 모터와 전기 시스템.


모터의 부품들


최근의 한 연구에 대한 보도 자료에는 다음과 같이 언급되어 있다 : "진화 생물학자들에게 편모는... 영원한 미스터리이다."


대장균의 모터는 인간이 설계한 모터에서 볼 수 있는 것과 유사한 기능을 수행하는 부품들로 구성되어 있다. 여기에는 기어, 회전자, 축, 구동축, 부싱, 유니버설 조인트, 어댑터 링이 포함된다(그림 1). 그리고 모터와 마찬가지로, 박테리아 편모는 전기로 구동된다. 박테리아 세포막은 양전하와 음전하를 분리하는 고효율 축전기(capacitor) 역할을 한다. 이 전기적 차이는 수소 이온(양성자)을 가져와 세포에서 제거하는 '양성자 펌프(proton pumps)'에 의해 생성된다. 양전하를 띤 입자는 다시 세포로 흘러 들어가 전류처럼 작용한다. (음전하를 띤 전자의 흐름인 가정용 전류와는 다르다). 이러한 양성자가 편모 모터를 통해 흐르면서, 모터가 회전하게 된다. 모터의 바닥에는 최대 11개의 동력 기어(다른 편모 박테리아 종에서는 18개까지)들로 둘러싸인 중앙 기어가 있다. 동력 기어를 통해 흐르는 '전류'가 기어를 회전시켜 중앙 기어를 구동한다. 동력 기어는 세포벽에 고정된 축을 중심으로 회전한다.

그림 2 : 대장균의 회전자(rotor)


회전자(그림 2)는 중앙 기어를 구동축에 연결한다. 회전자는 내부 링, 외부 링, 어댑터 링, 구동축을 수용하는 소켓으로 구성된다.

구동축은 부싱(bushings, 부품들 사이의 마찰력을 줄여 움직임을 용이하게 하는 부품) 역할을 하는 단백질 고리를 통해 세포 외부로 나간다. 구동축의 외부 표면과 부싱의 내부 표면은 각각 매우 매끄럽고 얇은 유체 층으로 분리되어 있다. 이러한 "최적으로 설계된"[5] 부싱 덕분에, 구동축이 마찰을 거의 일으키지 않고 회전할 수 있어, 모터의 효율이 거의 100%에 이른다.

갈고리 모양의 유니버설 조인트(후크)에는 약 120개의 움직이는 부품들이 있으며, 각 부품은 고도로 특수화된 단백질로 구성되어, 회전하면서 부드럽게 확장 및 축소된다. 이러한 설계 덕분에 비틀림에 매우 강하면서도 구부리는 데 매우 유연하며, 이는 효율적인 유니버설 조인트의 두 가지 중요한 요건이다.


기어 메커니즘

모터에는 두 개의 기어 변속 메커니즘이 있는데, 하나는 회전 방향을 바꾸는 것이고, 다른 하나는 출력을 조절하는 것이다. 모터는 중앙 기어 상단의 직경을 변경하여, 1밀리초 이내에 전진 기어와 후진 기어를 전환한다(그림 3).

그림 3: 전진 기어 및 후진 기어. 노란색은 파워 기어, 진한 파란색은 중앙 기어. <Drawn by David Thomas>


두 번째 기어 메커니즘은 자전거의 기어와 동일한 기능을 수행한다. 세포가 더 걸쭉한 유체 속을 헤엄치면, 프로펠러를 회전시키기 더 어려워진다. 모터는 토크 센서(torque sensors)를 사용하여 이를 감지하고, 중앙 기어에 더 많은 동력을 공급하는 기어를 자동으로 결합하여, 모터가 생성하는 회전력을 증가시킨다.[6] 세포가 더 묽은 유체 속으로 헤엄치면, 반대의 현상이 발생한다. 이 정교한 기어 메커니즘은 필요 이상의 전력을 사용하지 않기 때문에, 전체 시스템의 에너지 효율은 매우 높다.


모터의 건조

대장균의 전기 모터가 건조(construction)되는 과정의 복잡성은 모터 자체의 복잡성을 훨씬 뛰어넘는다. 모터의 각 부품들을 필요한 특정 시간에 정확한 위치로 제조, 운반, 조립하기 위해서는 수많은 기계들, 모터들, 단백질들이 필요하다. 세포는 '편모' 유전자의 위치를 찾아서 전사 및 번역을 통해 단백질을 만드는 복잡한 시스템 외에도, 다음과 같은 일을 수행해야 한다 :

▶ 많은 조립 기계들에 동력을 공급하기 위해서 화학 연료(ATP)를 생산해야 한다.

▶ 새로 제조된 단백질을 송출 기계로 운반하고, 이동하는 동안, 단백질을 보호해야 한다.

▶ 세포를 파열시키지 않고, 구동축이 통과할 수 있도록, 세포벽에 구멍을 뚫어야 한다.

▶ 다른 단백질들의 조립을 돕기 위한, 임시 비계(scaffold)를 형성해야 한다.

그리고 이것은 시작에 불과하다. 이러한 작업들 중 상당수는 단일 기계로 수행할 수 없으며, 복잡한 생산라인에서 여러 기계들의 협력이 필요하다. 또한 이러한 기계들 중 일부는 작업이 올바르게 수행되었는지 확인하는 교정(proofreading) 시스템을 갖추고 있으며, 때로는 실수를 수정(수선)하기 위해 다른 수리 기계를 호출하기도 한다.

단백질들은 단백질의 식별, 분류, 및 수송에 사용되는 식별 꼬리표(identification tags)와 함께 제조된다. 수송 기계들은 각 단백질의 전달 타이밍을 제어하고, 단백질 생산 라인이 시작될 때, 기계와 통신하여 잔량(backlog)이 발생하지 않도록 한다. 또한 수송 기계에는 단백질을 펴는 회전 모터가 내장되어 있다. 조립 현장의 다른 기계는 단백질을 제자리에 다시 (3차원적 구조로) 접는다.

모터의 건조(조립)는 3단계로 이루어진다. 1단계에서는 유전자 프로그램(그림 5)이 세포의 산도, 산소 수준, 온도, 염도, 및 기타 요인을 감지하는 센서들로부터 오는 수많은 입력 신호들과 다른 박테리아 세포의 통신 신호들을 수신한다. 이 신호 동향을 사용하여, 편모를 만들기에 적합한 조건인지를 판단한다. 다음으로 모터와 후크(hook, 유니버설 조인트)의 핵심 구조가 조립된다. 그런 다음 프로펠러 필라멘트, 내비게이션 시스템, 및 동력 기어가 조립된다. 이 두 번째 단계의 마지막 단계는 가장 효율적으로 작동하려면 후크의 길이를 55nm로 만들어야 하는 후크 제작이다.[7] 제작하는 동안 수송 기계는 분자 자(ruler)를 사용하여, 후크의 길이를 측정한다.

그림 5: 모터 건조를 제어하는 정교한 유전자 프로그램의 일부에 대한 논리 다이어그램.[8] <Drawn by David Thomaslogic-diagram>


유전적 건조 프로그램

건조 과정의 타이밍과 재료들의 흐름 관리(logistics)는 또 다른 정교한 프로그램에 의해 감독을 받는다(그림 58). 이 유전자 프로그램은 회로, 피드-포워드 고리, 피드-백 고리, 입력 신호, 출력 신호, 논리 회로 기능들을 갖춘 컴퓨터 프로그램과 매우 유사하게 작동한다.

그림 6: 저자가 제작한 대장균 모터의 3D 프린팅 모델.


유전자 프로그램은 50개 이상의 유전자들 그룹('operons')으로 구성되어 있으며, 이 그룹은 다시 세 가지 부류로 구성된다. 유전자에는 특정 단백질을 만드는 방법에 대한 지침이 포함되어 있다. 한 유전자에서 생성된 단백질은 프로그램의 다른 유전자의 스위치를 켜거나 꺼서, 유전적 회로(genetic circuitry)를 형성한다. 서로 다른 단백질들의 생산은 조립 부위에서 필요한 시기에 따라 우선순위가 정해진다.


진화론적으로 불가능한 일


이 '분자 기계'는 편모가 작동하는 데 필수적인 다양한 부품들로 구성되어 있다. 필요한 모든 부품들이 한꺼번에 모두 존재하지 않는다면, 작동되지 않는다. 어떻게 점진적인 진화가 이러한 구조를 만들 수 있었을까?“


설계를 가리키는 명백한 증거들에도 불구하고, 많은 진화론자들은 편모 모터가 무작위적 돌연변이와 자연선택을 통해 진화했다고 주장하고 있다. 진화론자들은 편모가 한 인젝티좀(injectisome, 다른 세포에 단백질을 주입하는 데 사용되는 주사바늘과 같은 미세 분자물질)에서 진화했다고 주장했었다. 이것은 일부 교과서에서 여전히 가르쳐지고 있지만, 현재는 대부분 거부되고 있다. 왜냐하면 인젝티좀은 오히려 유전자의 소실을 통해 편모세포에서 진화한 것으로 여겨지고 있기 때문이다. 그러나 2021년 4월에 발표된 최근 논문은[9], 이들 두 생각에 도전장을 던졌다. 이 논문은 두 유전자의 원자 수준 구조를 비교한 결과 "현저한 차이"가 있다는 것을 발견했는데, 이는 한 유전자가 다른 유전자로 진화하기가 훨씬 더 어렵다는 것을 의미한다. 

최근 연구에 대한 보도 자료에는 다음과 같이 언급되어 있다 : "진화 생물학자들에게 편모는 ... 영원한 미스터리이다. 이 '분자 기계'는 편모가 작동하는 데 필수적인 다양한 부품들로 구성되어 있다. 필요한 모든 부품들이 한꺼번에 모두 존재하지 않는다면, 작동되지 않는다. 어떻게 무작위적인 돌연변이에 의한 점진적인 진화가 이러한 구조를 만들 수 있었을까?“[10]


결론

많은 박테리아 종에 있는 전기 모터는 때때로 클러치[11]나 브레이크[12]를 포함하여 많은 추가 부품들이 있어서, 대장균에서 발견되는 것보다 훨씬 더 복잡하다.[12] 이 기사의 많은 세부 사항들은 최근에 와서야 지난 몇 년 동안에 발견된 것들이다. 앞으로도 계속해서 더 많은 흥미로운 발견들이 이루어질 것이다. 박테리아는 '단순한 화학물질 덩어리'와는 거리가 멀다. 대장균의 전기 모터의 기능, 제어, 및 구조는 정교한 설계와 엔지니어링이 겹겹이 쌓여 있음을 보여준다. 이 전기 모터는 설계자이자 창조주이신, 예수 그리스도께 영광을 돌리고 있는 것이다.(골로새서 1:16).


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대장균의 내비게이션 시스템


대장균 세포가 이 놀라운 전기 모터를 조종할 방법이 없다면, 거의 쓸모가 없을 것이다. 대장균은 "정교한 정밀도"를 가진 화학적 구배를 추적하는 시스템을 사용하여, 환경을 탐색한다.[1] 내비게이션 시스템은 5~10개의 편모들 중 하나에서 모터의 회전 방향을 전환하여, 세포를 회전시킬 수 있다.

이 시스템의 정교한 신호 장치는[2] 아름답고, 고도로 조직화된 육각형 구조로 되어 있다(그림 4). 이 장치는 다양한 화학물질들을 감지하는 장치 전면에 배열된 방대한 센서들로부터 수천 개의 2진 입력 신호(binary input signals)들을 계산한다. 이 장치의 회로에는 단기 메모리 피드백 고리가 포함되어 있어, 시간 경과에 따른 화학물질 농도를 비교할 수 있다. 서로 다른 유형의 센서들은 서로 통신하여, 신호를 최대 50배까지 증폭한다. 이러한 기능 덕분에 내비게이션 시스템은 높은 감도, 넓은 동적 범위, 인상적인 신호 증폭을 제공한다.[3] 그러나 대장균의 내비게이션 시스템은 박테리아 중에서 가장 단순한 것 중 하나이며, 대부분은 훨씬 더 복잡하다.[4]

그림 4 : 세포 내부에서 바라본 센서 어레이(sensor array)의 육각형 구조. <Drawn by David Thomashexagonal-architecture>


References and notes

1. Gao, Q. and 2 others, Conformational shifts in a chemoreceptor helical hairpin control kinase signaling in Escherichia coli, pnas.org, 17 Jul 2019.

2. Hazelbauer, G. and 2 others, Bacterial chemoreceptors: high-performance signaling in networked arrays, sciencedirect.com, 14 Sep 2007.

3. Liu, J. and 5 others, Molecular architecture of chemoreceptor arrays revealed by cryoelectron tomography of Escherichia coli minicells, pnas.org, 5 Jun 2012.

4. Porter, S. and 2 others, Rhodobacter sphaeroides: complexity in chemotactic signalling: cell.com, 1 Jun 2008.

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References and notes

1. Magariyama, Y. and 6 others, Very fast flagellar rotation. Nature 371:752, 1994. 

2. Chang, Y. and 8 others, Molecular Mechanism for Rotational Switching of the Bacterial Flagellar Motor. Nature Structural & Molecular Biology, nature.com, 7 Sep 2020. 

3. Baker, M. and 16 others, Domain-swap polymerization drives the self-assembly of the bacterial flagellar motor,. Nature Structural & Molecular Biology, nature.com, 8 Feb 2016. 

4. Apel, D. and Surette, M.G., Bringing order to a complex molecular machine: The assembly of the bacterial flagella, BBA Biomembranes, sciencedirect.com, Sep 2008. 

5. Yamaguchi, T. and 5 others, Structure of the molecular bushing of the bacterial flagellar motor, Nat. Commun., nature.com, 22 Jul 2021. 

6. Baker, A. and O’Toole, G., Bacteria, rev your engines: stator dynamics regulate flagellar motility, Journal of Bacteriology, journals.asm.org, 25 May 2017. 

7. Spöring I. and 13 others, Hook length of the bacterial flagellum is optimized for maximal stability of the flagellar bundle, journals.plos.org, 6 Sep 2018. 

8. Fitzgerald, D. and 2 others, Comprehensive Mapping of the Escherichia coli Flagellar Regulatory Network, journals.plos.org, 2 Oct 2014. 

9. Buggs, R., More obsolete Dawkinsian evidence for evolution, natureecoevocommunity.nature.com, 4 May 2021. 

10. Dunning, H., Team investigating the evolution of bacterial ‘tails’ wins prestigious grant, imperial.ac.uk, 12 Apr 2021. 

11. Sarfati, J., Germ with seven motors in one!, creation.com/germ-7-motors-in-1, 15 Jan 2013. 

12. Pilizota, T. and 5 others, A molecular brake, not a clutch, stops the Rhodobacter sphaeroides flagellar motor, pnas.org, 14 Jul 2009. 

 

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출처 : Creation 44(1):42–45, January 2022

주소 : https://creation.com/e-coli-motor

번역 : 박지연



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