세포는 "의사결정"을 한다 : 하지만 물질적 설계도가 어떻게 결정을 내릴까? : 창조 설계-생명 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

창조설계-생명체

2025-06-08

세포는 "의사결정"을 한다.

하지만 물질적 설계도가 어떻게 결정을 내릴까?

(A Cell Makes “Decisions”

But if It’s Following a Material Blueprint, How Does It Do That?)

by David Coppedge

오직 마음만이, 그리고 마음이 설계한 프로그래밍 된 기계만이 결정을 내릴 수 있다.

매사추세츠 대학(University of Massachusetts) 보도자료가 제공하고 있는 "교전(작업) 규칙(Rules of Engagement)"이라는 재미있는 동영상을 시청해보라. 슈트라우스의 왈츠 "봄의 소리(Voices of Spring)"를 배경으로 한 이 영상에는, DNA 가닥을 따라 네 효소들이 이동하며, 서로 마주칠 때 어떤 행동을 취할지 결정하는 모습을 볼 수 있다. 우리는 이러한 행동을 하는 분자들에 공감하며, 건설 노동자들이 좁은 복도를 서로 지나치며 작업하는 모습이 떠오른다. 어떻게든 그것들은 난관을 극복하고, 작업을 계속하는 것이다.

영상 후반부에서는 줌 아웃을 통해, 이 모든 상호작용들이 웅장한 발레 공연처럼 어우러져, DNA가 익숙한 X자 모양의 염색체로 정밀하게 접혀지는 모습을 볼 수 있다. 만약 세포가 단지 "우연히 모여진 원자들의 집합"이라면, 어떻게 이것이 가능할까?

어떤 환경에서는 비-생물 물질도 스스로 조직화될 수 있다. 토네이도와 허리케인은 나선형을 이루고, 식어가는 용암은 육각형 기둥을 형성한다. 원소들은 결합하여 기하학적 결정을 이룬다. 하지만 이러한 경우에 원자들은 결과나 기능과는 관계없이 단지 물리법칙을 따르는 것이다. 그러나 생명체는 다르다. 목적을 위해 문제를 해결하고, 결정을 내린다.

협력을 위한 결정

영상 속에서 콘덴신(condensins)과 코헤신(cohesins)은 중력이나 정전기력에 의해서 상호 작용하도록 끌려 들어가지 않는다. 여기에는 1)분자기계들을 만들기 위한 유전적 지시, 2)상호작용을 제어하는 "교전 규칙", 3)DNA를 염색체로 압축하기 위한 포괄적인 설계 계획, 4)유사분열에서 염색체 쌍을 딸세포로 분리해야 할 필요성 등 여러 단계의 프로그래밍이 포함된다. 이러한 프로그램에는 모니터링 시스템, 복구 메커니즘, 그리고 놀라울 정도로 복잡한 DNA 복제 과정이 추가될 수 있다.

프로그래밍이 차이를 만든다. 결정, 용암, 토네이도 등은 무엇을 해야 하는지 알려주는 지시도 없고, 암호도 없으며, 그것을 따르지 않는다. 철학자와 신학자들은 이러한 규칙이 생명체를 위해 설계되고 정교하게 조정되었는지에 대해 논쟁할 수 있지만, 일단 확립되면 이러한 규칙은 수학적으로 설명될 수 있는 예측 가능한 결과를 생성한다. 그러나 세포 내 분자기계들의 행동은 이러한 규칙으로 예측할 수 없으며, 계획을 가진 마음(mind)의 지시가 없다면, 실리콘 칩에서 전자가 이동하는 경로도 예측할 수 없다.

매사추세츠 대학의 보도자료는 사메지마(Samejima) 등이 Science 지(2025. 4. 11)에 게재한 새로운 논문을 강조하며, 낮은 수준에서 확률적 상호작용이 있음에도 불구하고, 염색체 구축 계획은 성공하고 있다고 설명한다.

결합 및 고리 압출 과정의 역동적인 상호작용과 확률적 특성을 고려할 때, 유사분열 염색체는 단일하고 고정된 3차원 구조를 채택하지 않는다. 대신, 흔한 제한된 구조를 가진 무질서한 구조들이다.

비유하자면, 건축 현장의 건설 노동자들은 각자의 전문 분야와 기술을 갖고 있지만, 설계도에 나와 있는 전반적인 현장 평면도를 따르고 있으면서, 못을 박거나 전선을 지정된 위치에 배치시키는 데에 융통성을 갖고 있다.

물질 세포가 교전 규칙이 있는 설계도를 따르도록 특별히 구조화되어 있다면, 이것은 세포가 의사결정을 내릴 수 있다는 또 다른 예가 되는 것이다,

조직화의 결정 : 또 다른 "-ome"

Science 지(2025. 3. 20)에 게재된 논문에서, 월츠(Waltz) 등의 연구자들은 점점 더 늘어나고 있는 " - omes“ (genome, proteome, lipidome 등)이라는 용어에 "레스피라좀(respirasome, 호흡체)"이라는 용어를 추가했다. 레스피라좀은 미토콘드리아에서 호흡(respiration in mitochondria)을 가능하게 하는 초복합체이다. 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)를 구성하는 개별 복합체는 놀라운 회전 엔진인 ATP 합성효소(ATP synthase)로 절정에 이르며, 기능을 극대화하는 방식으로 구성되어 있다. 저자들은 이러한 배열이 초저온 전자현미경(cryo-electron microscopy) 하에서 얼마나 정밀하게 나타나는지를 주목하였다.

미토콘드리아는 산화적 인산화를 통해 아데노신 삼인산(ATP, adenosine triphosphate)을 재생산한다. 이 과정은 호흡사슬(respiratory chain)이라고 불리는 다섯 개의 막결합 복합체에 의해 수행되며, 이들은 협력하여 전자를 전달하고, 양성자를 펌핑한다. 이러한 복합체가 본래 세포에서 어떻게 구성되는지에 대해서는 논란이 있다. 본 연구에서는 현장 초저온 전자 단층촬영(in situ cryo-electron tomography)을 이용하여 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii) 세포에서 여러 주요 미토콘드리아 복합체의 본래 구조와 구성을 시각화했다. ATP 합성효소와 호흡 복합체는 각각 곡선형 및 편평한 크리스타 막(crista membrane) 영역으로 분리된다. 호흡 복합체 I, III, IV는 호흡체 초복합체로 조립되며, 이를 통해 전자 운반체 시토크롬 c의 결합을 보여주는 본래 5Å(옹스트롬) 해상도 구조를 확인했다. 2.4Å 해상도의 단일입자 초저온 전자현미경과 결합하여 본래 미토콘드리아 내부에서 호흡 복합체가 어떻게 구성되는지 모델링했다.

저자들은 이 복합체들이 왜 이러한 초복합체로 조직되는지에 대한 몇 가지 가설을 제시하며, 모든 호흡체가 서로 다른 종에서 동일한 화학량론(stoichiometry)을 가지는 것은 아니라는 점을 지적하고 있다. 그들은 "진화가 호흡체를 반복적으로 선택해 온 것으로 보인다"고 추측하고 있었는데, 이는 진화론자들이 이러한 패턴이 기능적으로 중요하다는 것을 인정하는 방식이다.(그렇지 않았다면 지금 존재하지 않았을 테니까).

현장 초저온 전자이동(in situ cryo-ET)으로 시각화된 것처럼, 이러한 막 구조는 좁은 내강 공간과 크리스타와의 측면 이질성을 형성하여, 호흡체 공급원에서 ATP 합성효소의 가라앉음으로 양성자 흐름을 가능하게 한다. 이러한 방식으로 호흡체는 크리스타 구조와 분자 구조를 형성하는 간접적인 메커니즘을 통해 효율적인 호흡을 가능하게 한다. 본 연구에서 제시된 고유 호흡체 구조는 생체 내에서 초복합체 형성을 특이적으로 저해하고, 이러한 불가사의한 분자 기계의 생리학적 관련성을 메커니즘적으로 분석할 수 있는 하나의 설계도를 제공한다.

따라서 호흡체는 공장 내 분자기계들의 효율성을 위해 어떻게 최적으로 구성할 것인가라는 문제를 해결하는 또 다른 의사결정 구조로 여겨진다. 이러한 해결책은 자연법칙만으로는 예측할 수 없는 것이다.

문제 예방을 위한 결정

세포에서 관찰되는 또 다른 유형의 의사결정은 단순히 퍼즐을 푸는 것뿐만이 아니라, 예측 가능한 문제를 예방하는 것을 포함한다. Fagunloye 등의 연구자들이 EMBO 지에 발표한 논문은 이에 대한 좋은 예를 제공한다. 슈 복합체(Shu complex)는 "진화적으로 보존된(= 진화되지 않은)" 세 개의 Rad51 paralogs, Csm2, Psy3, Shu1, 단백질 포함 SWIM-domain, Shu2로 구성되어 있는 이종사량체(heterotetramer)"이다.

상동 재조합(homologous recombination, HR)은 복제 중 DNA 손상 내성(damage tolerance)에 중요하다. 보존된 상동 재조합 인자인 효모(yeast)의 슈 복합체(Shu complex)는 복제 관련 돌연변이를 방지한다. 본 연구에서는 효모 세포가 DNA 복제 중 MMS로 유발된 손상에 대처하기 위해 슈 복합체를 어떻게 필요로 하는지 살펴보았다. 슈 복합체의 하위 단위인 Csm2가 효모의 자율 복제 서열(ARS)에 결합하는 것을 발견했다. 마지막으로, 슈 복합체와 복제 개시 복합체 간의 상호작용이 DNA 손상에 대한 저항성을 높이고, 돌연변이 및 비정상적 재조합을 방지하는 데 필수적임을 보여주고 있다. 본 모델에서 슈 복합체는 복제 메커니즘과 상호작용하여 DNA 손상을 오류 없이 우회할 수 있도록 해준다.

그들이 진화에 기인한 것으로 여기고 있는 이 복합체의 ‘한 요소도 제거 불가능한 복잡성(irreducible complexity, 환원 불가능한 복잡성)’에 주목하라. 그들은 이 세포의 경이로움이 효모와 인간의 슈 복합체 사이의 차이점 발견에 기초해 진화했다고 주장한다. 그들에게 물질적 과정이 어떤 근거로 손상을 감지하고, 복구하고, 예방할 수 있는지를, 즉 무의미한 원자에서 의사결정을 하는 분자기계들로 어떻게 진화할 수 있었는지를 물어보아야 한다.

슈 복합체는 "대량 DNA 손상"을 복구하고, 심지어 병변을 우회하여, 복제의 정확도를 천 배나 높일 수 있다고 한다(인상적인 세부 사항은 각주 참조[1]). 무작위적 돌연변이는 진화적 발전의 기본 메커니즘 아닌가? 슈 복합체의 교정 정확도가 없었다면, 세포는 탄생하기도 전에 오류 재앙을 겪었을 가능성이 높다.

게다가 슈 복합체는 다른 복합체들과 상호작용을 한다. 저자는 이러한 사실은 "호기심을 유발했고" "흥미로웠다"고 말하고 있었다.[2]

스키너 상수

물질들도 의사결정을 내릴 수 있지만, 선견지명이 있는 지적 원인에 의해 지시될 때에만 가능한 것이다. "선택 압력"이라는 모호한 개념을 불러일으켜, 물질에 의사결정을 귀속시키는 것은 스키너 상수(Skinner’s Constant)와 동의어이며, 그것은 "곱하거나, 나누거나, 더하거나, 빼면, 마땅히 받아야 할 답이 나온다"와 같은 뜻이며, 이는 과도한 상상력에 사로잡힌 마법적이고 공상적인 사고를 필요로 한다. 진화론의 신뢰성은 살아있는 세포에서 관찰되는 초고도로 복잡한 세부 사항들이 계속 밝혀지면서, 급격히 떨어지고 있다.

Notes

1. “During DNA replication, DNA damage can be bypassed using a template switching mechanism that is facilitated by the recombinase, Rad51. The yeast Shu complex facilitates the formation of Rad51 filaments in this replicative context where its function is restricted. This is unique to other HR factors that repair direct DSBs [double-stranded breaks] outside of DNA replication. How the Shu complex function is limited to facilitatebypass of replicative DNA damage is enigmatic. However, hints come from its DNA damage sensitivity, where the loss of any Shu complex members results in sensitivity to the alkylating agent, methyl methanesulfonate (MMS). Partially explaining this specificity for replicative repair, the Shu complex DNA binding subunits, the Rad51 paralogs Csm2-Psy3, preferentially bind to double-flap substrates and have increased affinity for a double-flap containing an abasic site, which forms during repair of alkylation damage. Loss of Shu complex function results in translesion synthesis-induced mutations and the mutation rate increases over 1000-fold when abasic sites accumulate.” (External citations omitted.)

2. “Importantly, these physical interactions with the replication initiation complexes occur independently of other HR machinery, including the recombinase Rad51 and the canonical Rad51 paralog, Rad55. Intriguingly, Csm2 enrichment at ARS sites is largely dependent on its interaction with Rad55. Interestingly, Rad55 is neededfor Csm2 enrichment at ARS sites while being dispensable for Shu complex interaction with Mcm4. These results are consistent with those from the Prado laboratory showing that Mcm4 interaction with Rad51 or Rad52 is also DNA-independent. Furthermore, we show that Csm2 and Psy3 DNA binding is largely dispensable for its interaction with members of the MCM or ORC complexes. Therefore, it is possible that Rad55 helps to stabilize or enrich the Shu complex to ARS sites but that the Shu complex alone is needed to interact with the replisome. Overall, our results delineate a model wherein the Shu complex interacts with the replication machinery to ensure an error-free bypass of DNA damage.”

*참조 : 수십억 개의 생체 나노기계들은 그리스도의 솜씨를 드러낸다.

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세포막의 Kir2.1 채널 : 세포내 한 분자기계의 나노 구조가 밝혀졌다.

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핵공 복합체의 경이로운 복잡성

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진화론을 부정하는 유전자 내의 병렬 유전 암호들 : 이중 삼중 암호들이 무작위적 과정으로 우연히 생겨날 수 있을까?

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복구는 선견지명이 필요하고, 이것은 설계를 의미한다.

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