Enhanced Fidelity and Sequence Generality of an RNA Polymerase Ribozyme

복잡한 DNA와 단백질을 가진 생명체가 존재하기 훨씬 전, 과학자들은 최초의 생명 시스템이 오로지 RNA라고 불리는 단일 분자로만 구축되었을 것이라고 믿습니다. 흔히 'RNA 월드'라고 불리는 이 고대의 시대에, RNA는 설계도처럼 유전 정보를 전달하는 동시에 공장 노동자처럼 스스로를 복제하는 기계 역할까지 수행해야 했습니다. 생명이 성장하고 진화하기 위해서는 이 RNA 기계가 매우 정밀해야 했습니다. 만약 RNA가 자신의 지침을 복사할 때 너무 많은 실수를 저지른다면, 정보는 뒤섞여 쓸모없게 될 것이고 결국 시스템은 붕괴할 것이기 때문입니다. 그러나 높은 정확도로 자신을 복제할 수 있는 RNA 분자를 만드는 것은 엄청난 도전 과제입니다. 과학자들이 이전에 RNA 가닥을 만들 수 있는 RNA 효소를 설계해 왔지만, 초기 버전들은 서툴렀습니다. 그것들은 단순하고 구조가 없는 서열만을 복사할 수 있었으며, 생명 시스템을 유지하기에는 너무 많은 오류를 범하곤 했습니다. 그것들은 마치 빈 종이나 단일 텍스트 줄만 다룰 수 있는 복사기와 같아서, 문서가 복잡해지거나 접혀서 형태를 갖추게 되면 제대로 작동하지 못했습니다.

솔크 연구소(The Salk Institute)의 연구팀은 이제 이러한 한계를 극복한 새로운 버전의 RNA 기계를 설계해 냈습니다. 시행착오를 거치는 엄격한 과정을 통해, 그들은 복잡하게 접힌 RNA 가닥을 놀라운 정확도로 복사할 수 있는 리보자임(ribozyme), 즉 RNA 효소를 만들어 냈습니다. '85h34'라고 명명된 이 새로운 기계는 중대한 도약을 의미합니다. 이것은 이전에는 복사가 불가능했던 까다로운 템플릿을 읽을 수 있으며, 이전 모델들보다 훨씬 적은 실수를 저지릅니다. 가장 중요한 점은, 이 기계가 더 주의 깊게 작업하도록 강제하는 환경, 즉 화학적 환경이 덜 유리하게 만들어진 조건에서도 이 작업을 수행할 수 있다는 것입니다. 이 성과는 과학자들이 스스로 진화할 수 있는 자기 복제 시스템을 만드는 데 한 걸음 더 다가가게 함으로써, 단순한 화학으로부터 어떻게 생명이 시작되었는지에 대한 통찰을 제공합니다.

이 개선된 기계를 만드는 여정은 '52-2'로 알려진 이전 버전의 RNA 중합효소로부터 시작되었습니다. 이 초기 모델은 RNA를 복사할 수는 있었지만, 특히 템플릿이 길거나 복잡한 구조를 가질 때 정확도가 떨어지는 문제를 겪었습니다. 연구진이 'class I ligase'라는 특정 RNA 분자(97개 단위 길이)를 복사하려고 시도했을 때, 이 효소는 너무 많은 오류를 범하여 결과물이 거의 쓸모없는 수준이 되었습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 효소에 극한의 압력을 가하기로 결정했습니다. 연구진은 효소가 기능하는 class I ligase의 작동하는 복사본을 성공적으로 만들어내야만 생존하고 번식할 수 있는 실험을 설계했습니다. 만약 효소가 실수를 하면 복사본이 제대로 작동하지 않을 것이고, 그 버전의 효소는 폐기될 것이었습니다.

연구진은 33번의 추가적인 진화 과정을 거치며 이 선택 과정을 진행했습니다. 각 단계마다 연구진은 과업을 더 어렵게 만들었습니다. 효소가 작업을 마쳐야 하는 시간을 단축했고, 결정적으로 용액 내 마그네슘 이온의 농도를 낮추었습니다. 마그네슘은 화학 반응을 돕는 조력자 역할을 하지만, 연구진은 그 양을 줄임으로써 효소가 더 효율적이고 신중하게 작업하도록 강제했습니다. 낮은 농도의 마그네슘은 또한 효소가 실수를 무시하기 어렵게 만들어, 복사 오류에 대해 사실상의 벌칙을 주는 효과를 냈습니다. 이 33번의 라운드 동안 RNA 효소 집단은 극적으로 변화했습니다. 연구진은 매 단계마다 효소의 유전 코드를 시퀀싱하여 추적하며, 서로 다른 돌연변이 그룹(clades)이 어떻게 인기를 얻고 사라지는지를 관찰했습니다.

데이터는 복잡한 경쟁의 역사를 보여주었습니다. 과정 초기에는 매우 정확하지만 단축된 시간 제한 내에 작업을 완수하기에는 너무 느린 한 그룹의 효소가 우세해졌습니다. 압력이 높아지자 이 그룹은 사라졌습니다. 대신 소수로 존재하던 다른 두 그룹이 번성하기 시작했습니다. 한 그룹은 까다롭고 접힌 형태의 템플릿을 다루는 능력을 개선했고, 다른 한 그룹은 낮은 마그네슘 조건에서 속도와 정확성을 유지하는 능력을 키웠습니다. 이 두 그룹은 서로 다른 유익한 돌연변이 세트를 보유하고 있었으며, 이들은 RNA 서열상 매우 멀리 떨어져 있어 무작위 재조합을 통해 자연적으로 최상의 특성을 결합하는 것이 거의 불가능했습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 두 그룹의 장점을 수동으로 결합하여 하나의 하이브리드 효소를 만들었습니다.

이 새로운 하이브리드인 85h34는 강력한 성능을 입증했습니다. 이것은 이전 버전들이 완전히 실패했던 조건에서도 복잡한 class I ligase를 높은 수율로 합성할 수 있었습니다. 까다로운 서열이나 접힌 구조를 포함한 다양한 RNA 템플릿에 대해 테스트했을 때, 85h34는 일관되게 이전 모델들을 능가했습니다. 이 효소는 읽기 어려운 긴 구간을 포함한 템플릿을 복사할 수 있었으며, 이전 효소들을 멈추게 했던 헤어핀 루프(hairpin loops)를 풀면서도 복사를 이어갈 수 있었습니다. 아마도 가장 인상적인 점은, 85h34가 분자 혼잡제(8% PEG8000)를 용액에 첨가했을 때, 다른 어떤 RNA 중합효소 리보자임도 작동할 수 없었던 매우 낮은 수준인 10밀리몰(mM)의 마그네슘 농도에서도 기능을 유지했다는 것입니다.

이 새로운 기계의 정확도는 복제 과정 중 발생하는 오류의 수를 세는 방식으로 측정되었습니다. 기존의 52-2 효소는 class I ligase를 복사할 때 100개의 뉴클레오타이드당 약 14번의 실수를 저질렀습니다. 반면, 새로운 85h34 효소는 표준 조건에서 100개당 약 6번의 오류를 범했으며, 낮은 마그네슘 환경에서는 이 수치가 100개당 단 5번으로 떨어졌습니다. 이러한 개선은 두 가지 원인에서 기인했습니다. 새 효소는 처음에 올바른 구성 요소를 선택하는 능력이 더 뛰어났고, 이미 실수를 저질렀을 경우 작업을 계속하지 않고 멈추는 능력이 훨씬 더 좋았습니다. 결함이 있는 복사본을 연장하지 않음으로써, 최종 생성물에 오류가 누적되는 것을 방지한 것입니다.

이 연구의 의의는 이것이 무엇을 가능하게 하는지에 있습니다. 생명이 진화하기 위해서는 유용한 형질을 보존할 수 있을 만큼 충분한 충실도로 유전 정보가 전달되어야 하지만, 동시에 혁신을 허용할 수 있을 만큼의 변이도 필요합니다. 85h34 중합효소는 정보가 무의미하게 퇴화하지 않고 복잡한 기능적 RNA를 안정적으로 복사할 수 있는 임계점을 넘어섰습니다. 이는 과학자들이 이제 이 효소를 사용하여 다른 RNA 분자들을 진화시킬 수 있음을 의미하며, RNA가 스스로를 복사할 뿐만 아니라 스스로를 개선할 수 있는 시스템을 만드는 것을 뜻합니다. 연구진은 더 나은 복사 기계가 더 나은 복사본을 만들어내는 이 '부트스트래핑(bootstrapping)' 과정이 결국 완전한 자기 진화적 RNA 시스템으로 이어질 수 있다고 제안합니다. 이 논문이 생명을 창조했다고 주장하는 것은 아니지만, 연구진은 지금까지 가장 유능한 RNA 복사 기계를 구축함으로써, 생명의 화학적 기원과 진화의 근본 원리를 탐구할 수 있는 강력한 도구를 제공했습니다.