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세포의 열역학적 조건

게시일 2013-09-03 08:20

모든 살아있는 생명체는 물리의 법칙에 따라야 하며, 여기에는 우주의 물질서, 또는 엔트로피를 나타내는 열역학 제2법칙도 포함되어 있다. 고도로 정돈된 세포나 유기체는 이러한 원리를 부정하는 듯 하지만, 그것들은 실제로 우주 전체의 엔트로피를 상승시키는 열을 생성하기 때문에, 이에 순응한다고 볼 수 있다. 그러나 아직도 의문점은 남아 있다. 그들의 열역학적 조건을 충족하기 위하여, 살아있는 세포는 얼마나 많은 열을 생성해야 하는가? 그리고 그들은 그 한계에 얼마나 가까이 접근하는가?

Journal of Chemical Physics 최근호에서, MIT 물리학자인 Jeremy England는 대장균 박테리아(E. coli bacteria) 복제를 수학적으로 모형화하고, 그 과정이 가능한 한 매우 효율적이라는 것을 발견했다. 대장균은 열역학 제2법칙의 조건을 충족하는데 필요한 열을 거의 6배 이상 더 생성한다. “어떤 박테리아로 이루어져 있고, 또 얼마나 빨리 성장하는지, 그리고 그 자신을 둘러싼 환경에 배출해야만 하는 최소한의 열은 얼마나 될까? 실제로 뿜어내는 열의 양을 비교했을 때, 그것이 앞의 최소한의 열과 거의 같은 규모라는 것을 알 수 있다”고 물리학 조교수인 England가 말했다. “그것은 비교적 최대 효율에 가깝다”고 England가 덧붙였다.

생물학적 시스템을 모형화하는 England의 접근 방법은 원자나 분자의 다양한 배열 확률을 계산하는 통계 역학을 포함하고 있다. 그는 하나의 세포가 두 개가 되는 세포 분열의 생물학적 과정에 초점을 맞추었다. 20분의 복제 과정 동안, 박테리아는 많은 양의 음식을 소모하면서, DNA와 단백질을 포함한 그것의 분자 대부분을 재배열하고, 두 개의 세포로 분할한다. 이러한 과정을 위하여 박테리아가 생성해야 하는 열의 최소량을 계산하기 위하여, England는 두 개의 세포가 하나가 되는 역 과정(reverse process)의 열역학을 조사하기로 결정했다. 이러한 일은 결코 일어나지 않을 듯 싶지만, 그것의 가능성은 복제 동안 일어나는 아주 작은 반응들의 반전 확률 등을 종합해 보면 추정 가능하다.

복제 동안 발생하는 일반적 반응 중 하나는 새로운 펩티드 결합(peptide bonds)의 형성이며, 이것은 단백질의 중심을 형성하는 것이다. 그러한 종류의 반응을 자발적으로 뒤바꾸는 것은 약 600년이 걸린다고 England가 말했다. 일반 박테리아의 펩티드 결합 수는 약 16억 개 정도이며, 이러한 모든 결합을 부수는데 드는 열 전력량은 약 100억 자연 단위이다. “이 모든 결합이 붕괴하는 것을 보기 위해서는 오랜 세월을 기다려야 한다”고 England가 말했다. 복제의 자발적 반전을 관찰하는데 필요한 대기 시간을 추정함으로써, England는 복제 동안 대장균이 실제로 생성하는 양의 6분이 1로 분할하기 위하여, 박테리아가 산출해야 할 열의 양을 계산할 수 있었다.

이 결과는 박테리아가 열역학 제이법칙을 여전히 따르면서, 지금보다 훨씬 더 빠른 속도로 성장할 수 있음을 제안했다. 세포 복제가 대장균이 수행해야 할 많은 작업 중 하나이기 때문에, 가능한 한 가장 효율적인 성장 속도로 진화할 가능성은 거의 없는 듯하다. 그러나 합성 생물학 응용 프로그램에서, 좀 더 빨리 분할할 수 있는 박테리아를 만드는 것은 매우 유용하며, 이 논문은 이론적으로 그 가능성을 보여주었다. 이 논문은 왜 RNA가 아닌 DNA가 유전 물질의 주요 형태로 진화하는가에 대한 중요한 단서를 제공하고 있다고 England는 말한다. DNA는 좀 더 내구성이 있고, RNA보다 결합을 자발적으로 깨지 않는다. 이는 RNA가 DNA보다 유리하다는 뜻이기도 하다. 왜냐하면, 이것은 더 빠르게 성장하기 때문에, 가능한 자원으로 사용될 수 있다. 이것은 지구에 생명체가 나오기 이전에, RNA가 먼저 진화했을지 모르며, DNA는 그 이후에 발생했다는 이전의 가설을 뒷받침해준다. “나는 이것이 초기 핵산에 영향을 줄지 모르는 다양한 선택적 힘을 좀 더 잘 이해하는 방법이라고 생각한다”고 말한 그는 현재 자기 복제 세포가 그것을 둘러싸고 있는 환경 변화에 적응하기 위한 새로운 방법을 통해서 어떻게 진화하는지를 연구하기 위하여, 같은 이론적 접근 방법을 적용하고 있다.

출처: http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=240861&cont_cd=GT


 

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