경이로운 창조물들 - 생명체

세균의 대사는 컴퓨터 회로판과 같이 작동된다.

세균의 대사는 컴퓨터 회로판과 같이 작동된다.

(Bacteria Metabolisms Are Like Computer Circuit Boards) 

by Brian Thomas 


   세균(bacteria)들은 때때로 거친 삶에 직면한다. 식물과 동물 세포의 약 1/10 크기인 그들은 자신을 보호하기 위한 어떠한 피부 층도 가지고 있지 않다. 환경은 빠르게 변화하고 있다. 따라서 미생물이 적응하기 위한 적절한 도구를 가지고 있지 않다면, 그들은 오래 지속되지 못할 것이다. 생명공학자들은 박테리아들에 내재되어 있는 일련의 상호 밀접한 관계들을 밝히면서, 세균들이 끊임없이 변화하는 환경에서 살아가기 위해서 사용하는, 세 개의 상호의존적인 대사 시스템의 측면을 모델화하였다.[1] 그리고 그러한 시스템은 매우 과소평가되고 있었다고 기술했다.

생물학자들이 혐기성 세균인 클로스트리듐(Clostridium acetobutylicum) 균을 설탕이 첨가된 신선한 액체배지에서 접종했을 때, 그 미생물이 첫 번째 하는 일은 설탕 에너지를 수확하고 증식하는 것이었다.(번식하는 간단한 방법). 주변에 하수처리 시스템이 존재하지 않기 때문에, 그들의 유기산 노폐물은 그들 주위에 쌓인다. 그러나 장비가 갖추어진 박테리아에서 그것은 문제가 되지 않는다.

산(acids)이 축적되었을 때, 박테리아는 그 노폐물을 소화시키고 그것을 다른 유용한 무언가로 변환시키는 다른 내부 공장의 스위치를 켠다. 멀리서 보면 꽤 단순하게 보이는 것 같지만, 최고의 과학자들은 그러한 시스템을 만들어보려고 했을 때, 박테리아의 대사(metabolism)는 전혀 단순하지 않다는 것을 발견하게 되었다.

박테리아는 복잡한 컴퓨터 회로 기판처럼, 탐지기, 온/오프 스위치, 밝기조절 스위치(dimmer switches), 릴레이 스위치, 피드백 루프...등을 정밀공학을 사용하여 적절히 연결하고 있었다. 그것은 얼마나 복잡할까? C. acetobutylicum 대사의 단지 한 부분의 디지털 버전을 설계한 생명공학자들에게 물어보라. 그들은 실제 세균 배양을 통해 실험했던 그들의 모델을 PNAS 지에 발표했다.[1]

일리노이 공대 뉴스는 "일리노이 대학 연구자들은 최초로, 클로스트리듐 균 대사의 복잡하고 상호의존적인 대사반응, 유전자 조절, 환경적 단서들을 발견했다"고 보도했다.[2]

박테리아 내부에서, 일련의 독특한 맞춤형 효소(단백질 기계)들이 필수적 대사과정 사슬에서 일어나는 각 화학 반응들을 촉진하고 있었다. 이 활동에 의한 부산물 농도의 증가는 세포 외부에 독성의 산성 세계를 초래한다. 두 번째 대사 시스템은 그들의 부품을 바꾸어, 이러한 잠재적으로 치명적인 부산물로부터 박테리아를 구한다.

세포는 외부 환경에 무슨 물질이 있는지, 그리고 두 번째 대사 기어를 넣어야한다는 것을 어떻게 알게 되는 것일까? 작은 기계들이 세포 내부의 산도(acidity)와 세포 외부의 산도를 비교하고, 유전자들을 관리하는 다른 분자기계들에게 그 정보를 전달한다는 것이 밝혀졌다. 이것은 유전자 조절이 작동하기 시작하는 시점이 된다. 이러한 시스템의 상호의존적 측면은 정확한 시점에서, 그리고 정확한 기간 동안, 독성의 유기산을 용매로 변환시키기 일을 시작하기 위해서 어떤 유전자들을 활성화시킨다. 

마침내, 이 뛰어난 전략으로도 견딜 수 없도록 환경이 악화되면, 그 시점에서 세포는 보존 모드로 전환되는 스위치를 켠다. 일부 세포는 저항성이 강한 아포(spores)로 변환되고, 환경이 개선되어 또 다른 성장 단계를 시작하기 전까지 기다린다.   

일리노이 대학의 생명공학자들은 이들 박테리아의 실제 시스템의 일부분을 디지털 방식으로 모방했다. 그들은 썼다, "그 과정의 복잡성과 시스템 특성은 매우 과소평가 되어왔다."[2] 실제 살아있는 시스템에 내장되어 있는 복잡성을 파악하는 데에는 역공학이 매우 유효하다. 역공학(reverse-engineering)은 심도 있는 분석을 요구한다.

예를 들어, 연구자들은 박테리아의 유전자 조절 모듈의 디지털 버전을 구축하는 것에 대해 설명하면서, “여기에 4가지 주요 분자들(Spo0A, Spo0A~P, σF, σK)의 농도가 주요 모델 변수로 채택되었다. 그리고 그들의 반응 속도는 미분방정식을 이용하여 설명하였다"라고 썼다.[1]

진화적 과정으로 인해, C. acetobutylicum의 대사과정을 만들 수 있는 능력이나, 미래지향적 통찰력이 생겨났는가? 어떤 자연적 과정이 미분방정식을 통해 상호의존적 부품들과 모듈의 필수적 동적 네트워크를 통합시키기에 충분한 기본 수학을 이해하고 있었단 말인가? 그것은 돌연변이인가? 부적자의 죽음인가? 집단 동력학인가? 돌연변이는 방향도 없고, 생각도 없고, 목적도 없는, 지시되지 않은, 무작위적인 복제 오류 아닌가? 

그 어떠한 자연적 과정도 그러한 탁월한 전략 및 복잡성과 맞지 않기 때문에, 박테리아 대사과정의 상호의존적 측면은 지적 근원(intelligent source)에 의한 것임에 틀림없다. 그리고 그 지적 근원은 그러한 시스템을 발견하고 모방하려고 애쓰는 뛰어난 공학자들보다 훨씬 더 뛰어나고 현명함이 분명하다. 공학자들은 단순한 디지털 사본을 만들었지만, 그 분은 실제 살아있는 것을 만드셨다.


References

1.Liao, C. et al. Integrated, systems metabolic picture of acetone-butanol-ethanol fermentation by Clostridium acetobutylicum. Proceedings of the National Academy of Sciences. Posted online before print, June 22, 2015, accessed June 29, 2015.

2.Kubetz, R. Unlocking fermentation secrets opens the door to new biofuels. Posted on engineering.illinois.edu June 24, 2015, accessed June 25, 2015. 


출처 : ICR News, 2015. 7. 20. 

주소 : http://www.icr.org/article/8826

번역 : 미디어위원회



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