RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

우리가 알고 있는 생명은 매우 다른 두 종류의 분자 사이의 파트너십을 기반으로 구축되었습니다. 한 종류인 핵산은 생명의 도서관 역할을 하며, 다른 모든 것을 만드는 데 필요한 지침을 저장합니다. 다른 한 종류인 단백질은 노동력 역할을 하며, 세포가 살아가고 성장할 수 있게 하는 화학적 과업을 수행합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 파트너십이 어떻게 시작되었는지에 대해 의문을 품어왔습니다. RNA 월드 가설로 알려진 지배적인 아이디어는 생명이 이 중 단 하나의 플레이어, 즉 정보를 저장하면서도 일부 화학적 작업을 수행할 수 있는 RNA만으로 시작되었다고 제안합니다. 그러나 이 관점은 단일 분자가 어떻게 생존하고 진화하는 계보를 시작할 수 있을 만큼 두 역할을 완벽하게 수행할 수 있었는지를 설명하는 데 어려움을 겪습니다. 또 다른 가능성은 단백질이 먼저 왔다는 것이지만, 단백질은 자신을 신뢰성 있게 복제하는 능력이 부족합니다. 핵심적인 질문은 여전히 남아 있습니다. 어떻게 이 두 가지 뚜렷한 시스템이 힘을 합쳐 최초의 살아있는 세포를 만들어냈는가 하는 점입니다.

스토니브룩 대학교의 두 연구자, 모하메드 스와일렘(Mohamed Swailem)과 켄 에이 딜(Ken A. Dill)은 이 기원 이야기에 대해 생각할 수 있는 새로운 방법을 제안했습니다. 그들은 어떤 분자가 먼저 왔는지를 묻는 대신, 어떻게 두 분자가 처음부터 서로의 생존을 도울 수 있었는지를 묻습니다. 그들의 연구는 핵심이 어느 한 분자의 완벽함에 있는 것이 아니라, 서로를 존재하게 하기 위해 발판을 마련해 준 분업에 있다고 제안합니다. 두 종류의 강점을 결합함으로써, 생명은 개별 부분이 완벽하지 않더라도 출현할 수 있었다고 그들은 주장합니다.

그들의 논리를 이해하려면 진화가 시행착오의 과정으로서 어떻게 작동하는지 살펴보는 것이 도움이 됩니다. 단순하고 자기 복제가 가능한 분자 집단을 상상해 보십시오. 때때로 복제 과정 중에 실수가 발생하여 새로운 버전이 만들어집니다. 만약 이 새로운 버전이 생존하거나 복제하는 데 더 뛰어나다면, 그것은 더 흔해질 것이고 약한 버전들은 사라질 것입니다. 이것이 자연 선택의 엔진입니다. 하지만 이 엔진이 돌아가려면 두 가지 뚜렷한 일이 일어나야 합니다. 즉, 무작위적인 변화를 생성하는 방법(시행)과 어떤 변화가 더 나은지 테스트하는 방법(오류)이 있어야 합니다. 연구자들은 우리 세포 속의 두 유형의 분자가 이러한 별개의 직무에 완벽하게 적합하다고 주장합니다.

DNA나 RNA와 같은 핵산은 딱딱하고 안정적입니다. 그 구조는 주변 환경의 영향을 쉽게 받지 않고 정보를 저장할 수 있게 해줍니다. 그것들은 설계도를 운반하면서 내용을 바꾸지 않는 데 탁ей히 뛰어납니다. 그러나 핵산은 화학적 작업을 수행하는 데는 그리 능숙하지 않습니다. 반면 단백질은 유연하고 다양합니다. 단백질은 복잡한 형태로 접혀 반응을 가속화하고 구조를 만드는 도구 역할을 합니다. 하지만 단백질은 정보를 저장하는 데는 서툽니다. 읽기 어렵고 정확하게 복제하기 어렵기 때문입니다. 연구자들의 관점에서 볼 때, 진화에는 "설계도"가 편향 없이 무작위로 변경될 수 있는 체계와, "도구"가 시스템의 성장을 돕는 능력을 테스트할 수 있는 체계가 모두 필요했습니다.

저자들은 이 두 분자가 상호작용할 때 어떤 일이 일어나는지 테스트하기 위해 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그들은 어느 분자도 자신의 일을 아주 잘 수행하지 못하는 시나리오에서 시작했습니다. 핵산은 스스로를 복제하는 데 정확도가 떨어졌고, 단백질은 그 복제를 돕는 데 그다지 유능하지 않았습니다. 이 분자들이 단독으로 행동하는 세상에서는, 그들은 단순히 사라져 버릴 것입니다. 모델에 따르면, 도움 없이 이 분자들의 집단은 분해되거나 희석되는 속도를 극복하지 못해 결국 소멸할 것입니다.

그러나 연구자들이 두 분자가 함께 일하도록 허용했을 때, 결과는 극적으로 변했습니다. 그들의 모델에서 단백질은 핵산이 더 효과적으로 스스로를 복제하도록 도왔고, 핵산은 단백키를 만들기 위한 지침을 제공했습니다. 이는 피드백 루프를 형성했습니다. 비록 복제가 부정확하고 단백질이 겨우 중간 정도의 도움만 주더라도, 이 결합은 시스템이 성장하게 만들었습니다. 연구자들은 두 분자가 서로를 구할 수 있다는 것을 발견했습니다. 복제 능력이 좋지 않은 핵산이라도 매우 잘 돕는 단백질과 짝을 이룬다면 생존할 수 있었습니다. 반대로 효율적이지 못한 단백질이라도 정확도가 높은 핵산과 짝을 이룬다면 지속될 수 있었습니다.

이러-관계는 연구자들이 "파레토 프런트(Pareto front)"라고 부르는 개념, 즉 한 가지 이점을 위해 다른 이점을 절충할 수 있는 상황을 설명하는 개념입니다. 시뮬레이션에서 그들은 분자들이 사멸하는 세상과 번창하는 세상 사이의 명확한 경계를 발견했습니다. 한쪽 선에서는 분자들이 너무 약해서 생존할 수 없습니다. 다른 쪽 선에서는 그들이 협력적인 단위를 형성하여 지속됩니다. 가장 놀라운 발견은 이 전이가 두 분자 모두가 완벽할 것을 요구하지 않는다는 점입니다. 단지 함께 있을 때 충분히 괜찮으면 된다는 것입니다. 모델은 핵산은 열악하지만 단백질은 강한 시스템이, 강한 핵산과 열악한 단백질을 가진 시스템만큼이나 잘 생존할 수 있음을 보여줍니다. 즉, 서로 연결되어 있는 한 가능하다는 것입니다.

연구자들은 또한 이 시스템이 얼마나 오래 지속될 수 있는지를 살펴보았습니다. 그들은 단일 분자가 홀로 작용할 경우 매우 짧은 수명을 가진다는 것을 발견했습니다. 그것은 빠르게 분해되며, 스스로를 정확하게 복제하는 방법이 없다면 그 계보는 즉시 끝납니다. 하지만 두 분자가 힘을 합치면, 전체 시스템은 훨씬 더 긴 수명을 얻게 됩니다. 이 협력적 단위의 계보는 단일 분자가 스스로 생존할 수 있는 시간보다 훨씬 더 오랫동안 지속될 수 있습니다. 연구자들은 이 지속성을 생명의 진정한 시작이라고 식별합니다. 즉, 짧은 수명의 화학 반응에서 진화할 수 있는 긴 수명의 계보로의 전환입니다.

이 모델은 생명이 반드시 모든 것을 할 수 있는 단 하나의 완벽한 분자로부터 시작되어야 한다는 생각에 도전합니다. 대신, 생명은 파트너십으로부터 시작되었을 수 있음을 시사합니다. 연구자들은 생명이 단번에 완벽함으로 도약한 것이 아니라, 두 개의 불완전한 시스템이 서로에게 의지하는 법을 배우는 점진적인 과정이었다고 주장합니다. 단백질은 기능적 적합성을 제공하여 시스템이 성장하고 적응하도록 도왔고, 핵산은 유전 가능성을 제공하여 성공적인 조합이 전달되도록 보장했습니다.

저자들은 자신들의 작업이 수학적 탐구로서의 시뮬레이션이라는 점을 분명히 하고 있습니다. 그들은 생명을 시작한 정확한 역사적 사건을 발견했다고 주장하는 것이 아니라, 생명의 기원을 더 가능성 있게 만드는 타당한 물리적 메커니즘을 보여주었다는 것입니다. 그들의 모델은 "아이겐 역설(Eigen paradox)", 즉 좋은 단백질이 있어야 좋은 핵산을 만들 수 있고 좋은 핵산이 있어야 좋은 단백질을 만들 수 있다는 이른바 '닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐' 식의 문제를 협력을 통해 해결할 수 있음을 보여줍니다. 짐을 나누어 가짐으로써, 두 분자는 어느 하나가 단독으로 성공하는 것을 가로막는 한계를 극복할 수 있습니다.

결국, 이 논문은 조용하지만 강력한 통찰을 제공합니다. 생명의 기원은 아마도 단 하나의 기적적인 분자를 찾는 것이 아니었을 것입니다. 그것은 서로 다른 두 종류의 분자가 서로 결합하는 방법을 찾는 것이었을 것입니다. 하나는 기억을 제공했고, 다른 하나는 근육을 제공했습니다. 함께함으로써, 그들은 부분의 합보다 더 큰 시스템을 만들어냈고, 이를 통해 최초의 계보가 오늘날 우리가 보는 복잡한 생명체로 진화할 수 있을 만큼 오랫동안 지속될 수 있었습니다. 연구자들은 설계도를 저장하는 것과 기계를 만드는 것으로 나뉘는 이 분업이 현대 생명의 특징일 뿐만 아니라, 생명을 가능하게 만든 바로 그 토대라고 결론짓습니다.