정자 세포에서 발견된 복잡한 설계 : 창조 설계-생명 [한국창조과학회 자료실]

정자 세포에서 발견된 복잡한 설계

미디어위원회

창조설계-생명체

2023-12-18

정자 세포에서 발견된 복잡한 설계

(Intricate Design Found in Sperm Cells)

by Jerry Bergman, PhD

정자는 설계되었는가? 진화되었는가?

단순한 것으로 추정되는 한 세포가 한때 생각했었던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것이 연구를 통해 증명되고 있다.

인간의 정자(sperm)는 여성의 난관에서 난자를 만나 수정시키는 데 필요한 23개의 남성 염색체를 갖고 있다. 남성의 정자는 인체에서 가장 작은 세포로, 역사의 많은 부분에서 인간의 가장 단순한 세포 중 하나로 여겨졌었다. 부계(paternal) 유전자를 남성에서 여성으로 옮기는 일은 간단한 일일 것이라고 여겨졌던 것이다. 이 일을 수행하기 위해, 운반 시스템은 속도와 효율성을 위해 능률적이어야 한다. 인간 남성의 생식기에 방출되는 수십억 개의 정자들 중에서 절대 다수의 정자들은 임무 수행에 실패한다.[1]

정자가 가장 단순한 세포 중 하나라고 믿어졌던 이유

정자에는 리보솜(ribosomes), 소포체(endoplasmic reticulum), 골지체(Golgi apparatus)와 같은 세포질 소기관들이 없다. 정자의 핵 속 DNA는 부피를 최소화하기 위해 극도로 촘촘하게 채워져 있다. 많은 정자들의 염색체는 히스톤(histones)을 이용하여 DNA를 포장하는 대신, 프로타민(protamines)이라 불리는 양전하를 띠는 단백질이 사용되어 포장된다. 이 모든 이유들로 인해, 정자는 신체에서 가장 단순한 세포 중 하나로 간주됐었다. 즉, 최근까지도 그랬다. 인체 해부학 전체가 그러하듯이, 더 많은 연구들이 완료될수록, 인체 구조들은 원래 생각했었던 것보다 훨씬 더 복잡한 것으로 나타난다.

.인간 정자의 주요 부분. <From Wikimedia Commons>

정자는 다른 세포들과 마찬가지로, 미토콘드리아를 이용하여 에너지를 생산하는데, 구체적으로 대략 50~75개의 미토콘드리아들이 정자 중간 부분에 위치한다.[2] 미토콘드리아는 정자가 목적지(난관 팽대부)까지 헤엄쳐 나가는데 필요한 에너지를 제공한다. 정자 미토콘드리아의 구조와 기능은 체세포의 미토콘드리아와 거의 동일하다.

정자가 한때 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 밝혀낸 새로운 발견

정자가 한때 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 보여주는 새로운 발견 중 하나는 무루게수(Murugesu)에 의해서 수행된 연구이다.[3] 무루게수는 정자가 난모세포(oocyte)로 헤엄쳐가는 여행 동안 직면하는 유체 상태의 변동에 적응하기 위해서, 그들 편모의 파형(waveform)을 조절함으로써 수영 모드를 조절할 수 있다는 것을 발견했다.[4] 구체적으로, 정자들은 이동하는 유체 점도의 변화에 적응해야 한다. 예를 들어, 그들의 환경이 정자가 난모세포에 접근하기 시작하는 질의 상류 부위로 거슬러 올라갈 때, 정자의 꼬리는 더 빠르게 박동한다.[5]

무루게수의 실험 설계는 생리학적으로 관련된 주요 조건에서 정자의 행동을 관찰하기 위한 "시험장"이 포함되어 있다. 그 장치는 미세 유체학을 변화시켜, 다양한 유체 흐름과 점성에 대한 정자의 편모 파형과 에너지의 반응을 조사했다. 연구자들은 초당 200프레임으로 설정된 고속 고해상도 현미경을 사용하여, 편모 동력학(flagellar dynamics)을 조사하고 정량화했다. 연구는 정자의 편모 파형이 주로 점성에 의해 영향을 받는다는 것을 밝혀냈다. 그 반응은 에너지 효율이 높은 박동(beating) 행동을 증가시키는 것을 포함하고 있다.[6]

이러한 적응은 여성 생식기관 경로의 복잡한 유동학적(rheological) 특성에 기인하여 요구된다. 이러한 반응은 정자가 난관의 난모세포에 도달하고 수정하기 위해, 여성 생식기관의 경로를 항해할 수 있도록 하는 데에 필요하다. 정자 세포는 열주성(thermotaxis, 온도 구배)과 화학주성(chemotaxis, 화학적 자극)의 조합에 의해, 난모세포로 이동하도록 유도된다.

.인간 난자 세포에 수정되기 위해서는 횡단해야 하는 정자의 경로. <From Wikimedia Commons>.

사람의 정자는 먼저 질 전정부에 축적되어, 자궁경부 점액과 접촉하고, 질의 산성 물질과 면역반응을 피하기 위해, 즉시 자궁경부로 진입을 시도한다. 자궁경부 점액은 형태가 손상된 정자를 효과적으로 걸러낸다. 그 결과 극소수의 정자만이 자궁경부 안으로 진입한다. 배란이 다가오면, 정자는 과활성화되어, 난관의 팽대부를 향해 나아갈 수 있게 된다. 운동성 과활성화(motility hyperactivation)는 정자가 난관 속의 점액을 통과하도록 해줄뿐만 아니라, 난모세포의 난포세포더미와 투명대에 침투하는 것을 돕기도 한다. 그리고 난모세포의 원형질막과 융합한다.[7] 난모세포를 수정시키는 데 필요한 정자는 하나이지만, 난자를 수정시키기 위해 들어가기 전, 진입 과정 준비의 시작을 위해서는 외부 난자 껍질과 막에 부착하는 몇 개의 정자들이 필요하다.

.난모세포의 난포세포더미(cumulus oophorus)와 투명대(zona pellucida). <From Wikimedia Commons>

유체 상태에 따른 이러한 반응은 유체의 특성을 측정하는 감각 시스템이 있어야 하며. 이는 정자 꼬리에서 에너지 수준의 차이를 유발한다. 연구는 이 시점에서 정자의 행동을 변화시키는 신체적 조건과, 그로 인한 구체적인 변화를 관측했다. 다음 단계는 유체 환경에 적응하는 정자의 유전적, 신체적 변화를 탐구하는 것이다. 여기에는 필요한 신경, 근육, 화학적 설계가 포함된다.

요약

유체 상태에 적응할 수 있는 정자 설계의 발견은 그 체계를 담당하는 메커니즘을 포함하여 완전히 새로운 연구 분야를 열었다. 결국, 정자는 대부분의 체세포들보다 훨씬 더 복잡한 것으로 판명될 수 있다. 이 연구의 한 가지 중요성은 서구권이 현재 직면하고 있는 불임(infertility)의 유행을 부분적으로나마 이해하는 것이다.

References

[1] Alberts, Bruce, et al. Molecular Biology of the Cell, 4th edition. W.W. Norton & Co., New York, New York, 2002.

[2] Hirate, Shuji, et al. Spermatozoon and mitochondrial DNA. Reproductive Medical Biology 1(2): 41–47, 2002.

[3] Murugesu, Jason Arunn. Sperm sense what they are swimming through and adapt their behavior. New Scientist, 1 November 2023.

[4] Sperm can adjust their swimming style to adapt to fluctuating fluid conditions; https://phys.org/news/2023-11-sperm-adjust-style-fluctuating-fluid.html;

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/11/231101134736.htm, 1 November 2023.

[5] Murugesu, Jason Arunn. 2023.

[6] Parast, Farin, et al. The cooperative impact of flow and viscosity on sperm flagellar energetics in biomimetic environments, Cell Reports Physical Science. DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101646; www.cell.com/cell-reports-phys … 2666-3864(23)00469-1, 2023.

[7] Suarez, S., and A. Pacey. Sperm transport in the female reproductive tract. Human Reproductive Update 12(1): 23-37; doi: 10.1093/humupd/dmi047, January-February 2006. Epub. PMID: 16272225, 4 November 2005.

*참조 : 정자의 초고도 복잡성은 설계를 가리킨다.

https://creation.kr/LIfe/?idx=17082628&bmode=view

정자에서 DNA가 포장되는 방법 : 무성생식에서 유성생식의 진화는 실패하고 있다.

https://creation.kr/LIfe/?idx=17589070&bmode=view

수십억 개의 생체 나노기계들은 그리스도의 솜씨를 드러낸다.

https://creation.kr/LIfe/?idx=17056027&bmode=view

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

https://creation.kr/LIfe/?idx=13001065&bmode=view

핵공 복합체의 경이로운 복잡성

https://creation.kr/LIfe/?idx=15527346&bmode=view

가장 간단한 미생물도 생각보다 훨씬 더 복잡했다 : 마이코플라즈마는 200개의 분자기계들과 689개의 단백질들을 만드는 유전자들을 가지고 있었다.

https://creation.kr/Influence/?idx=1289940&bmode=view