세포의 운반체들은 적대적 영역을 횡단한다. : 창조 설계-생명 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2025-03-03

세포의 운반체들은 적대적 영역을 횡단한다.

(Cell Transport Carriers Traverse Hostile Territory)

by Jerry Bergman, PhD

세포의 경이로운 현상을 보여주는 새로운 연구가 거의 매달 나오고 있다.

수십 년 동안 세포 생물학자들을 당혹스럽게 만든 한 가지 질문은 "세포의 운반체(carriers)들이 한 세포에서 다른 세포로 이동할 때, 적대적인 환경에서 어떻게 살아남는가?"라는 것이었다. 세포 간 이동에는 세포, 혈관, 체액의 다양한 생물학적 환경을 지나가야 한다.

한 가지 위험은 pH(수소이온농도 지수, 산-염기) 차이이다. 세포 내 pH는 약 7.0으로, 산성과 염기성 사이로 중성이다. 이는 세포외액의 pH와 다르다. pH 차이는 주로 나트륨(sodium, Na+), 칼륨(potassium, K+, 포타슘), 마그네슘(magnesium, Mg2+), 칼슘(calcium, Ca2+), 인산염(phosphate, HPO42-), 염화물(chloride, Cl–), 중탄산염(bicarbonate, HCO3-) 등의 이온 농도로 인해 발생하는 전해질 이온 변화의 결과이다.

수소이온의 농도가 높을수록 용매의 산성도가 높아진다. 물은 세포에서 가장 풍부한 분자로서, 총 세포 질량의 70% 이상을 차지하고 있다. 세포 내 무기 이온들은 세포 질량의 1% 미만을 구성하고 있지만, 세포 기능에 중요한 역할을 한다. 이러한 이유로 물과 다른 세포 구성 요소들 간의 상호작용은 생화학적으로 매우 중요하다.[1]

.크기에 따른 세포외 소포체(extracellular vesicles, EV)의 분류. 엑소좀(Exosomes, 30~150 nm), 미세소포체(microvesicles, 100~1000 nm), 세포사멸체(apoptotic bodies, 800~5000 nm). <From Wikimedia commons>

채널들과 소포체들

이온 채널(ion channels)들은 막으로 둘러싸인 모든 구조들을 유지하는 데 중요하다는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 세포외 막결합 소포체에는 신체 세포를 보호하거나 해칠 수 있는 화물이 들어 있다. 연구자들은 Nature Communications 지에 게재한 논문에서, 소포체가 세포 간 통신, 면역 반응, 바이러스 병원성, 심혈관 질환, 신경 장애, 암 진행에 중요한 역할을 하는 방법을 설명하고 있었다.[2]

세포외 소포체들은 분자들을 세포 내부에서 세포외 환경으로 안전하게 운반하고, 그런 다음 다른 세포 유형으로 다시 운반하는 데 필요하다. 그들이 필요한 알려진 몇 가지 이유는 다음과 같다.

세포외 소포체는 단백질과 기타 분자들을 기증자 세포에서 수용자 세포로 운반하여, 생리적 및 생물학적 반응을 변화시킨다. 세포 간 통신을 용이하게 하고, 세포 균형을 유지하는 것 외에도, 이 입자는 면역 반응, 바이러스 감염성, 심혈관 질환, 암 및 신경계 질환과 관련이 있는 것으로 나타났다.[3]

이 복잡한 세포외 소포체들이 없었다면, 세포생물학적 상호작용은 존재할 수 없고, 생명체도 존재할 수 없었다.[4]

소포체의 구조와 기능

이러한 소포체(vesicles)에는 보호용 외막을 통해 전기적 전하가 통과할 수 있도록 하는 단백질로 구성된 이온 채널들이 포함되어 있다.[5] 싱(Singh) 등의 연구는 이러한 미세한 세포외 소포체가 여행 중에 어떻게 온전한 상태를 유지하는 지를 처음으로 문서화했다.

싱(Singh) 등의 연구는 이러한 세포외 소포체가 삼투(osmosis)로 시발된 물의 이동에 기인하여, 세포외 소포체 막이 터지는 것을 방지하기 위해서, 단백질 이온 채널을 사용한다는 것을 보여주었다. 이온 채널들은 보호용 외부 막을 통과할 수 있는 통로를 여는 단백질 구조로서, 내용물과 내부 환경을 안정된 상태로 유지하는데 필요한 단계이다.

한 가지 예는 전해질 칼륨(electrolyte potassium)으로, 세포 내부에서 가장 풍부한 양전하 이온이다. 세포외 환경에서 칼륨 농도는 세포 내부보다 30배 낮다. 결과적으로 세포외 소포체가 높은 칼륨 농도에서 낮은 칼륨 농도로 이동할 때, 단백질 이온 채널은 이온 평형을 향해 이동할 수 있도록 해준다.

이러한 세포외 소포체 구조를 발견하는데 있어 주요 문제점은 그것들이 매우 극히 작다는 것이다(30~60nm). 그것들이 존재한다는 것을 경험적으로 입증하기 위해서, 싱 등은 세포외 소포체 막의 낮은 전류를 기록하기 위해 근거리장 전기생리학(near-field electrophysiology)이라는 기술을 개척했다. 이 방법은 칼슘 활성화 대형 전도력 칼륨 채널(calcium-activated large-conductance potassium channel)의 존재를 확립했다.

.많은 세포외 소포체들(작은 파란색 둥근 구조)의 예. (Liu, Shan, et al., “Extracellular vesicles: Emerging tools as therapeutic agent carriers,” Acta Pharmaceutica Sinica B 12(10):3822-3842, 11 May 2022.)

요약

이러한 세포외 소포체의 기원에 대한 진화론적 설명은 Nature Communications 보고서나 그들의 연구에 대한 다른 출판된 리뷰 글에서 언급되지 않고 있었다. 이 분야의 연구는 새롭고 아직 배워야 할 것이 많지만, 현재 알려진 바에 따르면, 모든 다세포 생물들은 세포간 통신을 위해 이를 필요로 한다. 연구자들은 여전히 소포체가 세포외 환경에서 다른 이온 농도를 가진 세포로 이동할 때, 필요한 이온 균형을 유지할 수 있도록 해주는 운반체라는 특정 단백질을 식별하기 위해 노력하고 있다는 것이다. 현재까지 알려진 바에 따르면, 이 세포외 소포체 시스템 단백질들이 없었다면, 다세포 생물체는 생존할 수 없었을 것이다. 이는 생명체에 필요한 많은 고도로 복잡한 구조들 중 하나일 뿐이다.

References

[1] Cooper, G.M. The Cell: A Molecular Approach, Chapter 2: “The Molecular Composition of Cells,” Sinauer Associates, Sunderland, MA, 2000.

[2] Sanghvi, Shridhar, et al., “Functional large-conductance calcium and voltage-gated potassium channels in extracellular vesicles act as gatekeepers of structural and functional integrity, Nature Communications16(1), DOI: 10.1038/s41467-024-55379-4, 2025.

[3] Ohio State University, “The proteins that make cell-to-cell cargo transport possible,” Science Daily, 15 January 2025.

[4] Ohio State University, 2025.

[5] Caldwell, E., “The proteins that make cell-to-cell cargo transport possible,” Ohio State University News, 15 January 2025.

*참조 : 수십억 개의 생체 나노기계들은 그리스도의 솜씨를 드러낸다.

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