최초의 생명은 무엇으로 움직였는가? GTP를 만드는 RNA 효소가 여는 "RNA 월드"의 문

생명의 시작을 움직인 "연료"는 무엇이었는가

생명이란 단순히 물질이 모인 것만이 아니다. 외부에서 에너지를 받아들이고, 자신을 유지하며, 정보를 계승하고, 조금씩 변화해가는 시스템을 갖춘 것이다. 그렇다면, 아직 세포도, 단백질 효소도, 복잡한 대사 경로도 존재하지 않았던 지구의 초기 단계에서, 생명과 같은 시스템은 대체 무엇을 "연료"로 하여 움직였던 것일까.

이 질문에 접근하는 연구가 UC 샌디에이고 연구팀에 의해 보고되었다. 초점이 된 것은 RNA가 주역이었던 것으로 여겨지는 "RNA 월드" 가설이다. 현재의 생명에서는 DNA가 유전 정보를 저장하고, 단백질이 화학 반응의 대부분을 담당하며, RNA는 그 다리를 놓는 역할을 한다. 그러나 생명의 초기 단계에서는 RNA가 정보 분자이면서 동시에 화학 반응을 촉진하는 촉매였을 가능성이 있다.

RNA가 촉매로 작용하는 분자는 "리보자임"이라고 불린다. 이번 연구에서는 RNA를 늘리기 위해 필요한 분자 중 하나인 구아노신 삼인산, 즉 GTP를 만드는 리보자임의 성능을 높이는 데 성공했다. GTP는 현대 생물에게도 중요한 에너지 및 정보 관련 분자이며, RNA의 재료이기도 하다. 만약 원시적인 RNA 시스템이 GTP를 자력으로 공급할 수 있었다면, 그것은 자기 복제로 향하는 큰 이점이 되었을 것이다.

왜 GTP가 중요한가

RNA를 문장에 비유하자면, GTP는 그 문장을 구성하는 글자 중 하나에 해당한다. RNA는 뉴클레오타이드라고 불리는 부품이 이어져 만들어진다. 그 부품을 연결하여 긴 사슬로 만들기 위해서는 단순히 재료가 물속에 떠다니는 것만으로는 충분하지 않다. 부품끼리 결합시키기 위한 화학적인 "밀어내는 힘"이 필요하다.

현대의 생명에서는 ATP나 GTP와 같은 뉴클레오시드 삼인산이 그 역할을 맡는다. 삼인산이라는 이름 그대로, 인산기를 여러 개 가지고 있으며, 그 결합에서 유래한 에너지를 사용하여 반응을 진행시킨다. RNA를 합성하기 위해서는 이러한 활성화된 부품이 필요하다.

문제는 생명 탄생 이전의 지구에서 그러한 고에너지 분자를 어떻게 만들 수 있었는가라는 점이다. 단백질 효소가 없다면 현대의 세포와 같은 정교한 대사는 사용할 수 없다. 세포막도, 유전자도, 효소 네트워크도 미완성인 단계에서, RNA가 스스로의 재료를 만들어내는 구조를 가질 수 있었는가. 이번 연구는 그 난제에 대해 "적어도 실험실에서는 RNA 촉매가 그 방향으로 진화할 수 있다"는 것을 보여주고 있다.

100조 개 규모의 RNA 후보에서 "잘 작동하는 분자"를 선택하다

연구팀은 기존의 GTP 합성 리보자임을 출발점으로, 다수의 변이를 추가한 거대한 분자 라이브러리를 만들었다. 그 규모는 약 100조 종류로 여겨진다. 이는 약간의 배열 차이를 가진 RNA 분자를 방대하게 준비하고, 그중에서 가장 효율적으로 작동하는 것을 선택하는 접근이다.

이 선택에 사용된 것이 물방울을 기름 중에 분산시키는 에멀션 기술이다. 작은 물방울 안에 RNA 분자를 가두어, 각각의 분자가 얼마나 GTP를 만들고, 그 GTP가 얼마나 RNA 합성에 기여했는지를 쉽게 구별할 수 있게 한다. 말하자면, 무수한 미세한 시험관을 동시에 돌리는 실험이다.

중요한 것은 단순히 GTP를 만드는 능력만을 측정한 것이 아니라, 그 GTP가 RNA 폴리메라아제 리보자임에 의한 RNA 연장에 연결되도록 설계된 점이다. 즉, GTP 합성과 RNA 중합을 "대사적으로 연결"함으로써, 보다 생명에 가까운 기능에 가까운 형태로 선발이 이루어졌다.

그 결과, 연구팀은 기존보다 GTP의 턴오버 수를 크게 높인 변이체를 발견했다. 보고에 따르면, 가장 효율적인 변이체는 19개의 변이를 가지고 있으며, GTP 턴오버 수를 약 13까지 끌어올렸다. 이전의 리보자임은 턴오버가 약 1.7에 그쳤기 때문에, 큰 개선이다. 일반인을 대상으로 한 기사에서는 가장 생산적인 리보자임이 전구체보다 약 10배 더 많은 GTP를 만들었다고 소개되고 있다.

"생명을 만든" 것이 아니라, "생명과 같은 회로의 일부"를 재현했다

이 연구를 읽을 때 주의해야 할 것은, 실험실에서 생명이 만들어진 것이 아니라는 것이다. 이번에 보여진 것은 원시적인 RNA 시스템이 에너지 분자를 만들고, 그 에너지 분자를 사용하여 RNA 사슬을 늘리는, 즉 연동의 일부이다. 이는 생명 탄생의 완전한 재현은 아니다.

그러나 생명의 기원 연구에 있어서는 이 "일부"가 매우 중요하다. 생명이 시작되기 위해서는 정보를 가진 분자가 복제될 필요가 있다. 그러나 복제에는 재료와 에너지가 필요하다. 재료가 있어도 그것을 연결하는 반응이 진행되지 않으면 정보는 증가하지 않는다. 반대로 에너지가 있어도 정보를 저장하는 구조가 없으면 진화는 시작되지 않는다.

이번 성과는 RNA가 "자신의 재료를 만드는 반응"과 "자신과 유사한 분자를 늘리는 반응"을 연결할 수 있는 가능성을 보여주었다. 이는 대사와 유전의 경계가 아직 나뉘지 않았던 초기 생명을 생각하는 데 큰 의미를 가진다.

현대의 세포에서는 대사, 유전, 막, 단백질 합성 등이 복잡하게 분업되어 있다. 그러나 생명의 시작에서는 그러한 분업은 없었을 것이다. 소수의 분자가 여러 역할을 겸하고, 우연히 잘 연결된 화학 반응의 네트워크가 조금씩 자기 유지적으로 되어갔다고 여겨진다. 그 초기 단계를 실험실에서 재구성하는 것은 생명 탄생의 경로를 구체적으로 검증하는 데 필수적이다.

폴리인산이라는 "가능성 있는 에너지원"

연구의 또 다른 열쇠는 폴리인산이다. 폴리인산은 인산이 사슬 형태로 연결된 분자로, 원시 지구에서도 존재했을 가능성이 있는 에너지원의 후보이다. 이번 연구에서는 환상 트리메타린산이라는 폴리인산화 시약이 구아노신에서 GTP를 만드는 반응에 관여하고 있다.

생명 탄생의 연구에서는 "그 반응은 실험실에서는 가능하지만, 원시 지구에 정말로 재료가 있었는가"라는 점이 종종 문제가 된다. 강력한 현대적 시약이나 인위적인 환경을 사용하면 화학 반응은 얼마든지 진행될 수 있을지도 모른다. 그러나 그것으로는 생명의 기원을 설명한 것이 되지 않는다.

따라서 이번과 같이 "전생물적으로 가능성 있는 에너지원"과 RNA 중합을 연결하는 시도에는 의미가 있다. 물론 원시 지구의 어디에서, 어떤 농도로, 어느 정도 안정적으로 이러한 분자가 존재했는지는 더 검토가 필요하다. 그래도 RNA가 폴리인산 유래의 에너지를 사용하여 자신의 합성에 관련된 재료를 공급할 수 있다는 생각은 RNA 월드 가설을 한 걸음 구체화한다.

RNA 월드 가설은 어디까지 진전되었는가

RNA 월드 가설은 매력적이지만, 미해결 문제도 많다. RNA는 정보를 가지고 촉매가 될 수 있기 때문에 초기 생명의 후보로 유력시되어 왔다. 그러나 RNA 자체를 전생물적인 환경에서 어떻게 만들 것인가, 충분한 길이의 RNA를 어떻게 안정화할 것인가, 복제 오류를 어떻게 억제할 것인가, 그리고 반응에 필요한 에너지를 어떻게 공급할 것인가라는 과제가 남아 있다.

이번 연구는 그중에서도 "에너지 공급"과 "RNA 중합의 연결"에 관한 과제에 발을 들여놓고 있다. GTP 합성 리보자임의 성능이 향상됨으로써 RNA가 스스로의 재료 공급에 가까운 역할을 맡을 가능성이 더욱 현실적으로 다가왔다.

그러나 GTP만으로 RNA는 완성되지 않는다. RNA에는 G, A, C, U에 대응하는 여러 뉴클레오타이드가 필요하며, GTP 합성의 개선은 전체의 일부이다. 또한 RNA 폴리머에 최대 수 개의 구아노신을 포함할 수 있었다는 성과는 중요하지만, 자기 복제하는 긴 RNA 게놈을 만드는 단계에는 아직 멀다. 그렇기 때문에 이 연구는 "생명 탄생의 결정적 증거"라기보다는 "생명 탄생에 필요한 부품 중 하나가 실험적으로 더 강해졌다"고 보는 것이 정확하다.

SNS에서는 전문층을 중심으로 조용한 공유

이 연구에 대한 SNS 상의 반응은 현재로서는 폭발적인 확산보다는 전문성이 높은 커뮤니티나 과학 뉴스 계정에 의한 조용한 공유가 중심이다.

Reddit의 우주생물학 커뮤니티에서는 UC 샌디에이고의 기사가 "Research"로서 게시되었다. 다만, 확인할 수 있는 범위에서는 댓글란에 두드러진 논의는 적고, 자동 모더레이터에 의한 안내가 중심이었다. 이는 화제로서 가치가 낮다는 것보다는 내용이 상당히 전문적이며, 일반 사용자가 곧바로 논의에 참여하기 어려운 주제임을 나타낸다.

LinkedIn에서는 San Diego Biotech Networks가 이 연구를 소개하며, GTP를 만들 수 있는 초기 생물 시스템이 자기 복제에 유리하게 작용한다는 요점을 공유하고 있었다. 이 역시 감정적인 반응보다는 바이오테크 및 생명과학 뉴스로서의 소개 색채가 강하다.

X에서도 Astrobiology 관련 계정이나 사용자가 기사를 공유하고 있는 것이 확인된다. 반응의 중심은 "지구 최초기의 생명을 무엇이 움직였는가"라는 질문 그 자체에 대한 관심이며, 생명의 기원, 우주생물학, RNA 월드와 같은 키워드에 반응하는 층에 도달하고 있다.

종합적으로, SNS 상의 분위기는 "대단한 발견이다"라고 대중적으로 흥분하는 단계가 아니라 "생명의 기원 연구의 퍼즐의 한 조각으로서 중요하다"는 전문적인 수용이 중심이라고 할 수 있다. 화려한 제목으로 만들기 쉬운 주제이지만, 실제 성과는 매우 정밀하고 단계적인 것이다. 따라서 연구 내용을 전할 때에는 과도하게 "생명을 만들었다"고 선동하기보다는 "RNA만의 세계가 어디까지 자기 유지에 가까워질 수 있는지를 검증했다"고 표현하는 것이 성실할 것이다.

왜 이 연구는 우주생물학에도 관련이 있는가

생명의 기원 연구는 지구의 과거를 알기 위한 학문만이 아니다. 만약 생명이 어떤 조건에서 시작될 수 있는지를 알게 된다면, 화성, 유로파, 엔셀라두스, 혹은 먼 외계 행성에서 생명을 찾을 때의 관점도 달라진다.

생명에 필요한 것은 물, 탄소, 유기 분자만이 아니다. 반응을 진행시키기 위한 에너지의 흐름이 필요하다. 어떤 환경에서, 어떤 분자가, 정보의 복제와 대사를 연결하는가. 그 조건이 보이면, 우주에서 생명을 찾을 때의 "봐야 할 화학 반응"도 더욱 명확해진다.

이번 연구는 RNA 월드의 실험실 모델로서, 에너지원, 촉매, RNA 합성의 관계를 연결했다. 이는 지구 이외의 장소에서 생명과 같은 화학이 시작되는 조건을 생각하는 데에도 참고가 된다. 예를 들어, 얼음 아래의 바다를 가진 천체나, 광물 표면에서 에너지 구배가 생기는 환경에서는 어떤 분자가 자기 증식적인 반응 네트워크에 참여할 수 있는가. 이러한 질문에 대한 실험적인 발판이 된다.

생명은 한 번에 탄생한 것이 아니다

우리는 "생명의 탄생"이라는 말을 사용할 때, 어느 순간에 무생물이 생물로 변한 것처럼 상상하기 쉽다. 그러나 실제로는 생명과 비생명의 경계는 연속적이었을 가능성이 높다. 처음에는 단순한 화학 반응이었던 것이, 환경에서 에너지를 받아들이고, 재료를 모으고, 유사한 분자를 늘리고, 변이와 선택을 받게 되었다. 그 과정의 어딘가에서 우리가 생명이라고 부르는 성질이 나타났을 것이다.

이번 리보자임 연구는 그 연속적인 과정의 한 장면을 잘라낸 것이다. GTP를 만든다. RNA를 늘린다. 더 잘 작동하는 분자가 선택된다. 이들은 모두 진화의 전단계라고도 할 수 있는 현상이다. 아직 세포는 아니다. 아직 생물은 아니다. 그래도 생명다움의 싹이 있다.

원시 지구의 얕은 물웅덩이, 화산 활동, 광물 표면, 건조와 습기의 반복, 자외선, 번개, 열수 환경. 그러한 다양한 무대에서 무수한 화학 반응이 시도되었을 것이다. 그 중에서 우연히 정보와 에너지를 연결하는 반응이 안정되고, 선택되고, 복잡화되었다면, 이번 연구는 그 "연결"을 실험실에서 재현하려는 시도라고 할 수 있다.

화려하지 않지만, 깊은 전진

이번 성과는 일반인에게는 조금 전하기 어려울 수 있다. 새로운 공룡 화석이나 화성의 생명 흔적 후보와 같은 직관적인 임팩트는 없다. 하지만 생명의 기원을 생각하는 데 있어서는 매우 근본적이다.

생명이 시작되기 위해서는 정보 분자가 복제될 뿐만 아니라, 그 복제를 지탱하는 에너지 구조가 필요했다. 이번 연구는 RNA 촉매가 GTP를 공급하고, 그 GTP가 RNA 중합에 사용되는 흐