Computational modeling of an RNA-peptide world

생명의 시작에 관한 이야기는 과학계에서 가장 깊은 미스터리 중 하나로, 어떻게 최초의 생명체가 무생물 화학 물질로부터 출현했는가라는 질문을 던지는 수수께끼입니다. 수십 년 동안 주도적인 아이디어는 'RNA 세계'였습니다. 이 가설은 세포가 DNA나 단백질을 갖기 전, RNA라고 불리는 더 단순한 분자가 모든 핵심적인 역할을 수행했다고 제안합니다. RNA는 정보의 설계도처럼 정보를 저장할 수 있을 뿐만 아니라, 마치 기계처럼 화학 반응을 가속화하는 도구로서도 작용할 수 있는 다재다능한 화학 물질입니다. 만약 생명이 RNA로 시작되었다면, 그것은 단백질의 도움 없이도 이 분자들이 스스로를 복제하고 복잡한 구조를 구축하는 세계였을 것입니다. 그러나 이 아이디어에는 난관이 있습니다. 과학자들이 몇 가지 과업을 수행할 수 있는 RNA 분자들을 발견하긴 했지만, 현대의 세포를 움직이는 단백질 효소들에 비하면 이들은 종종 느리고 서투릅니다. 더욱이, 논리적인 모순이 존재합니다. RNA의 지침을 단백질로 바꾸는 복잡한 체계는 한꺼번에 진화하기에는 너무 정교해 보이지만, 정작 RNA 기계가 작동하기 위해서는 단백질이 필요하다는 점입니다.

이 매듭을 풀기 위해, 국립보건원(NIH)의 연구진은 다른 가능성에 주목했습니다. 그들은 생명의 초기 단계가 단순히 'RNA 세계'가 아니라 'RNA-펩타이드 세계'였을지도 모른다고 생각했습니다. 펩타이드는 단백질의 구성 단위인 아미노산의 짧은 사슬입니다. 이 사슬들은 생명체가 존재하기 훨씬 전인 초기 지구와 유사한 조건에서 자발적으로 형성될 수 있습니다. 연구진은 간단한 질문을 던졌습니다. 만약 이 무작위적이고 짧은 펩타이드들이 아주 초기부터 진화하는 RNA 분자들과 상호작용했다면 어땠을까? 완벽한 단백질 제조 기계가 진화하기를 기다리는 대신, 이 작은 펩타이드들이 조력자로서 RNA 구조를 안정화하고 RNA가 더 빠르게 진화하도록 도왔을 수도 있다는 것입니다. 이를 테스트하기 위해 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 구축하여, RNA 분자들이 혼자 있을 때와 무작위적인 펩타이드의 수프에 둘러싸여 있을 때 시간이 흐름에 따라 어떻게 변화하는지 디지털 실험실에서 초고속으로 관찰했습니다.

연구진은 AMES(Atomistic Molecular Evolution Simulator)라고 불리는 강력한 새로운 도구를 사용했습니다. 이 프로그램은 단순히 분자의 모양을 추측하는 것이 아니라, 첨단 인공지능을 사용하여 분자를 원자 단위로 구축하고 이들이 어떻게 접히고 상호작용하는지를 예측합니다. 시뮬레이션에서 그들은 약 18개의 단위로 이루어진 100개의 무작위 RNA 가닥으로 시작했습니다. 그들은 이 가닥들이 돌연변이를 일으키며 진화하도록 두었으며, 가장 안정적인 구조를 형성하는 것들을 선택했습니다. 그들은 두 종류의 실험을 수행했습니다. 첫 번째로, RNA 분자들은 오직 서로만을 상대로 고립된 상태에서 진화했습니다. 두 번째로, RNA 분자들은 3개에서 5개의 아미노산 길이로 구성된, 끊임없이 변화하는 짧은 펩타이드 집단이 존재하는 환경에서 진화했습니다. 결정적으로, 펩타이드는 고정된 서열을 갖지 않았습니다. 이는 특정 단백질이 아직 만들어지지 않은 채 무작위적인 원시 환경을 모사하기 위해 매 단계마다 무작위로 설정되었습니다.

결과는 놀라웠습니다. RNA 분자들이 홀로 진화할 때는 안정적인 형태를 찾는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. 그들이 신뢰할 수 있는 구조로 자리 잡는 데 평균 438세대가 걸렸으며, 그마저도 주로 헤어핀(hairpin)과 같은 단순하고 예측 가능한 형태를 형성했습니다. 헤어핀은 RNA 가닥이 스스로 접혀 돌아가는 기본적인 루프 형태이지만, 그리 복잡하지는 않습니다. 그러나 무작위 펩타이드가 도입되자 진화의 속도가 극적으로 변했습니다. RNA 분자들은 평균 215세대 만에 안정적인 상태에 도달했는데, 이는 혼자 있을 때 걸린 시간의 절반에도 못 미치는 수치였습니다. 펩타이드의 존재는 진화의 촉매제 역할을 하여, RNA가 훨씬 더 빠르게 안정적인 형태를 찾을 수 있게 해주었습니다.

단순히 속도뿐만이 아니었습니다. 펩타이드는 구조의 질 또한 변화시켰습니다. 펩타이드의 도움을 받아 진화한 RNA 분자들은 단순한 헤어핀만을 형성하지 않았습니다. 이들은 독자적으로는 불안정했을 돌출부(bulges)와 불규칙한 루프를 특징으로 하는 더 다양하고 복잡한 형태를 발달시켰습니다. 펩타이드는 마치 비계(scaffolding)처럼 작용하여, 이러한 어색하고 에너지가 높은 형태들을 고정해 주었습니다. 실제로 연구진은 펩타이드가 존재하는 환경에서 진화한 RNA 분자들이 펩타이드를 제거했을 때 오히려 더 불안정해진다는 것을 발견했습니다. 즉, 이들은 구조를 유지하기 위해 펩타이드에 의존하게 된 것입니다. 이는 펩타이드가 단순한 방관자가 아니라, RNA가 스스로는 찾을 수 없었던 훨씬 넓은 범위의 형태를 탐색할 수 있도록 허용하는 능동적인 참여자였음을 시사합니다.

시뮬레이션은 또한 진화하는 이 RNA 분자들이 특별한 능력을 발달시켰음을 보여주었습니다. 이들은 무작위 펩타이드를 붙잡는 데 더 능숙해졌습니다. 연구진이 최종 RNA 가닥들을 새로운 무작위 펩타이드 세트에 대해 테스트했을 때, 펩타이드와 함께 진화한 것들은 펩타이드와 결합하려는 경향이 훨씬 강하게 나타났습니다. 이 결합은 특정 펩타이드 서열에 국한된 것이 아니라, RNA가 펩타이드를 붙잡는 일반적인 능력을 진화시킨 것이었습니다. 이는 생명의 기원을 향한 결정적인 단계입니다. 만약 RNA가 자연스럽게 펩타이드를 끌어당기고 붙잡을 수 있다면, 이는 결국 우리 세포 내에서 단백질을 만드는 복잡한 기계인 리보솜의 진화로 이어질 수 있습니다. 리보솜의 핵심은 RNA로 이루어져 있으며, 그곳은 단백질이 조립되는 장소입니다. 시뮬레이션은 이 기계를 향한 첫걸음이 바로 단순한 RNA 분자들이 짧고 무작위적인 펩타이드와 협력하는 법을 배우는 과정이었을 수 있음을 시사합니다.

연구진은 이것이 직접적인 역사적 관찰이 아닌 컴퓨터 시뮬레이션이라는 점을 주의 깊게 명시했습니다. 그들은 이것이 생명이 시작된 정확한 방식임을 증명한 것이 아니라, 매우 타당하고 강력한 시나리오임을 보여준 것입니다. 이 시뮬레이션은 RNA와 펩타이드 사이의 상호작용이 생명의 기원에서 중요한 문제, 즉 어떻게 하면 복잡하고 기능적인 분자들이 생물학을 촉발할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 진화할 수 있는가에 대한 해답을 제시할 수 있음을 입증했습니다. RNA를 다양한 형태로 안정화하고 진화를 가속화함으로써, 이 짧은 펩타이드들은 단순한 RNA의 세계와 오늘날 우리가 보는 복잡한 단백질 기반의 생명체 사이의 누락된 연결 고리를 제공했을 수 있습니다. 이 연구는 생명의 초기 단계가 아마도 파트너십이었을 것이라고 제안합니다. 즉, RNA와 펩타이드가 함께 협력하여 그 뒤에 따르는 모든 것의 토대를 구축했던 역동적인 세계였다는 것입니다.