초기 지구 생명체의 시작점 암석 기공 기포

35억 년 전 무생물 화학 물질로 인해 초기 지구에서 생명체는 어디에서 어떻게 시작되었을까?

지구상의 첫 번째 세포에 대한 핵심 요구 사항은 구획을 만들고 첫 번째 화학 반응을 촉진하기 위해 진화하는 능력이다. 멤브레인이 없는 코아세르베이트(Coacervate) 미세 방울은 분자를 분할하고 농축하며 생화학적 반응을 지원하는 능력으로 원형 세포를 설명하는 데 탁월한 후보다.

아직까지 그 미세 방울이 어떻게 진화하여 지구에서 생명을 시작했는지는 알려지지 않았다.

독일 드레스덴에 있는 막스 플랑크 분자 세포 생물학 및 유전학 연구소와 뮌헨에 있는 Ludwig-Maximilians-Universität(LMU)에 있는 Center for NanoScience(CeNS)의 연구원들은 이제 막 없는 미세 방울의 성장과 분열을 처음으로 초기 지구의 가열된 암석 기공 내의 기포와 유사한 환경에서 가능함을 입증했다. 생명의 기원이 그곳에 있었음을 암시한다.

막스 플랑크 분자 세포 생물학 및 유전학 연구소(Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics) 연구 그룹 리더인 도라 탕(Dora Tang) 연구 팀은 2018년에 단순 RNA가 막 없는 미세 방울 내에서 활성화되어 생명의 시작에 적합한 화학적 환경을 가능하게 한다는 것을 보여주었다. 이러한 실험은 경쟁하는 힘이 균형을 이루는 단순한 수성 환경에서 수행됐다. 그러나 세포는 지속적으로 분열하고 진화할 수 있는 환경이 필요하다.

생명 실험의 기원에 대한 더 적합한 시나리오를 찾기 위해 Dora는 뮌헨 LMU의 시스템 생물 물리학 교수인 Dieter Braun과 협력했다. 그의 그룹은 단일 환경에서 여러 반응을 허용하고 세포가 진화할 수 있는 불균형 환경의 조건을 개발했다. 그 세포는 오늘날 우리가 알고 있는 세포와 같지 않지만 막이 없는 코아세르베이트로 만들어진 프로토셀이라고도 하는 오늘날 세포의 전구체와 비슷하다.

브라운 연구실이 만든 환경은 화산 활동에 근접한 물에 있는 다공성 암석이 부분적으로 가열된 초기 지구에서 가능한 시나리오다. 실험을 위해 Dora와 Dieter는 프로토셀이 분열하고 진화하는지 확인하기 위해 기포와 열 구배(뜨거운 극과 찬 극)가 있는 수분 함유 기공을 사용했다. 이 연구의 첫 번째 저자이자 Dieter Braun 연구소의 박사 과정 학생인 Alan Ianeselli는 “기체와 물의 경계면이 분자를 끌어당긴다는 것을 알고 있었다. 우리는 이 특정 설정을 선택했다”고 말했다.

연구원들은 실제로 분자와 원형 세포가 가스-물 계면으로 이동하여 설탕, 아미노산 및 RNA로부터 더 큰 원형 세포를 형성한다는 것을 관찰했다. Alan은 계속해서 “원세포가 분열하고 분열할 수 있다는 것도 관찰했다. 이러한 결과는 초기 지구에서 막이 없는 프로토셀의 성장 및 분열에 대한 가능한 메커니즘을 나타낸다”고 말했다. 분열과 진화 외에도 연구자들은 열 구배의 결과 화학적 조성, 크기 및 물리적 특성이 다른 여러 유형의 프로토셀이 형성되었음을 발견했다. 따라서 이 환경의 열 구배는 멤브레인이 없는 프로토셀에 대한 진화적 선택 압력을 유발할 수 있다.

연구를 감독한 Dora Tang과 Dieter Braun은 “이 연구는 가열된 암석 기공 내의 기포가 초기 지구에서 막이 없는 코아세르베이트 미세 방울의 진화에 대한 설득력 있는 시나리오임을 처음으로 보여준다. 미래 연구는 더 많은 가능한 서식지에 초점을 맞추고 생명체가 출현할 수 있는 추가 조건을 탐색할 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 네이처 케미스트리(Nature Chemistry)에 게재됐다.