생명의 기원은 DNA와 유사한 XNA에서 시작됐다? – Sciencetimes - Science Times

DNA와 유사한 분자가 함께 모여 ‘생명의 기원’에 주요 역할을 했다는 연구가 나왔다.

일본 나고야대 연구팀은 실험을 통해 초기 지구에 존재했을 수 있는 분자가 어떻게 결합해 DNA 전구체를 형성할 수 있었는지를 밝혀내고, 이 결과를 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 5일 자에 발표했다.

연구팀은 이번 발견이 생명이 어떻게 시작됐는지를 시사할 뿐 아니라, 인공 생명과 생명공학 발전에도 영향을 미칠 것으로 보고 있다.

일부 과학자들은 XNA가 RNA로 진화한 다음 다시 DNA로 진화해 생명의 시초를 이뤘다고 생각한다. 일본 나고야대 연구팀은 이번 연구에서 이 가설을 강력하게 뒷받침하는 연구를 발표했다. © Keiji Murayama

“RNA 세계 이전에 XNA 세계 존재”

논문 제1저자로 나고야대 생체분자 공학자인 게이지 무라야마(Keiji Murayama) 박사는 “RNA 세계는 생명의 기원의 한 단계로 널리 알려져 있으나, 이 단계 앞의 RNA 이전(pre-RNA) 세계는 제노 핵산[xeno nucleic acids (XNAs)]이라 불리는 분자를 기반으로 했을 수 있다”라고 전했다.

무라야마 박사는 “그러나 RNA와 달리 XNA 복제에는 효소가 필요치 않았을 것”이라며, “우리는 이번 연구에서 효소 없이 XNA를 합성할 수 있었고, 이를 통해 XNA 세계가 RNA 세계 이전에 존재할 수 있다는 가설을 강력하게 뒷받침하는 증거를 제시했다”라고 밝혔다.

XNA는 DNA 및 RNA와 유사하게 ‘연결된 뉴클레오티드 사슬’로 형성되지만, 당 골격(sugar backbone)이 다른 것으로 알려진다. XNA는 인체가 이를 분해할 수 없어서 매우 안정적으로 유전 코드를 전달할 수 있다는 것이다.

일부 연구자들은 특정 서열을 포함하는 XNA가 효소 역할을 해서 단백질에 결합할 수 있다는 보고를 한 바 있다. 이는 생명공학 분야나 분자 의학 응용 분야 및 합성유전학 분야에서 XNA를 흥미로운 연구 대상으로 떠오르게 하고 있다.

글리콜 핵산(왼쪽)은 DNA와 다른 당 골격(backbone)을 가지고 있기 때문에 제노 핵산(Xeno nucleic acids; XNA)의 한 예다. ©WikiCommons / Michał Sobkowski

RNA 존재 전에 있었던 분자 합성

무라야마 박사와 논문 시니어 저자인 히로유키 아사누마(Hiroyuki Asanuma) 교수팀은 먼저 지구에 존재했을 가능성이 있는 조건들이 XNA 사슬 형성으로 이어질 수 있는지를 알아보고자 했다.

이들은 RNA가 존재하기 전에 있었을 것으로 생각되는 분자인 비고리형 L-트레오니놀 핵산(acyclic L-threoninol nucleic acid; L-aTNA) 조각을 합성했다. 이와 함께 DNA 가닥들이 일치하는 방식과 유사하게, 이 조각들의 서열을 보완하는 핵산염기 서열을 가진 더욱 긴 L-aTNA를 만들었다.

온도가 조절된 테스트 튜브에 함께 배치하자 더 짧은 L-aTNA 조각들은 함께 모여 더 긴 L-aTNA 템플릿에서 서로 연결됐다.

중요한 것은, 이런 일이 N-시아노이미다졸(N-cyanoimidazole)이라는 화합물이 존재했을 때 일어났다는 점이다. 이 화합물은 망간과 같은 금속 이온으로 둘 다 초기 지구에 존재했을 가능성이 있다.

연구팀은 L-aTNA 조각이 효소 없이도 상보적인 L-aTNA, RNA 및 DNA 템플릿에서 상호 연결될 수 있음을 보여주었다. © Keiji Murayama

데이터상에서 L-aTNA가 RNA의 전구체임을 확인

이 조각들은 효소의 도움 없이, 한 끝에 있는 인산염이 이웃의 끝에 있는 수산기에 화학적으로 부착됐을 때 상호 연결됐다.

무라야마 박사는 “우리가 아는 한 이는 무작위 조각 풀(pool)에서 나온 템플릿 기반 비고리형 XNA의 효소 없는 확장을 보여준 최초의 사례”라고 강조했다.

연구팀은 또한 L-aTNA 조각이 DNA와 RNA 템플릿에서 서로 연결될 수 있음을 입증했다. 이는 유전자 코드가 DNA와 RNA에서 L-aTNA로 또는 그 반대로 전달될 수 있음을 시사하는 것이다.

무라야마 박사는 “우리 전략은 인조 생명 구축과 비고리형 XNA로 구성된 고기능성 생물학적 도구 개발을 실험하기 위한 매력적인 시스템”이라며, “데이터도 L-aTNA가 RNA의 전구체일 수 있음을 나타낸다”고 설명했다.

연구팀은 L-aTNA가 초기 지구의 ‘생명 이전(pre-life)’ 조건에서 합성될 수 있었는지를 확인하는 한편, 이를 이용한 고급의 생물학적 도구를 개발할 수 있는 가능성을 계속 탐구할 계획이다.

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