Can bacteria reveal something about electrons and charge?

가장 작은 박테리아부터 가장 큰 인간에 이르기까지, 모든 살아있는 세포 내부에는 미세한 발전소가 가동되고 있습니다. 전자 전달계(electron transport chain)라고 알려진 이 기계 장치는 생명을 유지하는 에너지를 생성하는 역할을 합니다. 이는 전하를 띤 아주 작은 입자인 전자를 일련의 분자 스테이션을 통해 이동시킴으로써 작동합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 과정을 각 주자가 하나의 바톤을 들고 달리는 계주처럼, 개별 전자가 한 스테이션에서 다음 스테이션으로 껑충 뛰어넘는 꾸준한 흐름으로 이해해 왔습니다. 이 흐로잉 생물학의 근간이 되기에, 이 과정의 어떠한 교란도 뇌와 신경계를 포함한 심각한 질병과 연결됩니다. 그러나 Allergy Adapt, Inc.의 Mark Dumke가 발표한 최근 논문은 놀라운 질문을 던집니다. 만약 이 전자들이 혼자 여행하는 것이 아니라면 어떨까요? 만약 특정 조건 하에서 이들이 쌍으로 이동한다면, 그리고 이 쌍이 어떻게 행동하는지를 지배하는 물리 법칙이 우리가 생각하는 것과 다르다면 어떨까요?

논문은 에너지 생성 과정의 특정 순간, 즉 두 개의 전자가 FMN이라 불리는 분자에서 근처의 철과 황 클러스터로 전달되는 순간을 조사하는 것으로 시작합니다. 표준적인 관점에서 보면, 이 두 전자는 동일한 음전하를 띠고 있기 때문에 서로 격렬하게 밀어내야 합니다. 이들을 그렇게 가까운 거리로 밀어 넣으려면 세포가 제공할 수 있는 수준을 훨씬 넘어서는 엄청난 양의 에너지가 필요해 보입니다. Dumke는 이러한 명백한 물리 법칙의 위반이 숨겨진 가능성을 가리키고 있다고 제안합니다. 즉, 전자들이 그가 '다이에렉트론(dielectron, 이전자)'이라 부르는 새로운 형태의 안정적인 결합체로 묶여 있을 수도 있다는 것입니다. 이 상태에서 두 전자는 자기 스핀이 없는 하나의 단위처럼 행동하여 그들의 반발력을 효과적으로 중화시킵니다. 이것이 사실이라면, 전자 전달계는 단일 주자를 이동시키는 것이 아니라, 나중에 분리될 것을 전제로 손을 잡고 달리는 두 명의 주자를 이동시키는 셈이 됩니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해, 연구자는 인간과 정확히 동일한 초기 에너지 사슬 단계를 사용하는 박테리아를 활용했습니다. 실험은 이 과정의 시작점이 되는 분자인 FMN이 리보플라빈이라는 비타민으로 만들어진다는 점의 특정 약점에 의존했습니다. 연구자는 두 종류의 박테리아 배양액을 만들었습니다. 한 그룹에는 정상적이고 손상되지 않은 리보플라빈을 먹였고, 다른 그룹에는 구조가 손상된 자외선 노출 리보플라빈을 먹였습니다. 이론은 만약 다이에렉트론이 존재한다면, 손상된 리보플라빈이 전자 쌍을 조기에 분해할 것이라는 것이었습니다. 쌍이 깨지면 두 전자는 고속으로 튀어나가 물 분자와 충돌하며 소프트 X선 형태의 에너지 폭발을 방출하게 됩니다.

실험 설정은 단순하지만 정밀했습니다. 박테리아를 아가 플레이트(agar plates)에서 배양했고, 흑백 사진 필름 시트를 박테리아 바로 옆에 배치했습니다. 필름은 가시광선으로부터는 차단되었지만, 만약 전자 쌍이 실제로 분해된다면 방출될 소프트 X선을 감지할 수 있을 만큼은 민감했습니다. 또한 연구자는 일반적인 방사선은 차단하고 오직 가장 침투력이 강한 에너지만이 흔적을 남길 수 있도록, 박테리아와 한 세트의 필름 사이에 두꺼운 흑연 판을 놓았습니다. 36시간 동안 박테리아를 배양한 후, 필-름을 현상하여 어떤 일이 일어났는지 확인했습니다.

결과는 두 그룹 간의 명확한 차이를 보여주었습니다. 정상적이고 손상되지 않은 리보플라빈을 먹인 박테리아 옆의 필름은 노출의 징후 없이 완전히 투명한 상태를 유지했습니다. 그러나 UV로 손상된 리보플라빈을 먹인 박테리아 옆의 필름은 뚜렷한 노출 지점들을 보여주었습니다. 이 지점들은 박테리아 군집이 자라고 있는 영역, 특히 박테리아가 가장 활발한 가장자리를 따라 나타났습니다. 연구자는 빛 누출이나 물리적 오염과 같은 일반적인 오류를 배제했으며, 손상된 리보플라빈 플레이트의 반점들이 필름상의 물리적 흔적과는 구별된다는 점에 주목했습니다. 이 반점들의 존재는 손상된 박테리아가 건강한 박테리아는 그렇지 못한 방사선을 방출하고 있음을 시사합니다.

Dumke는 이 방사선이 다이에렉트론이 분해되는 신호라고 주장합니다. 그는 알려진 어떤 박테리아도 표준적인 전기적 수단을 통해 이러한 X선을 생성하는 데 필요한 높은 전압을 생성할 수 없으며, 박테리아가 생성하는 열 또한 이 효과를 설명하기에는 너무 낮다는 점을 언급합니다. 대신, 논문은 리보플라빈의 손상이 전자 쌍을 붕괴시켜 관찰된 에너지를 방출하게 했다고 제안합니다. 이 논문이 다이에렉트론의 존재를 결정적으로 증명했다고 주장하는 것은 아니지만, 이러한 쌍이 존재할 수 있으며 그들의 조기 붕괴가 유해한 에너지를 방출할 수 있다는 강력한 증거로서 이 실험을 제시합니다.

이 발견의 함의는 실험실을 넘어 확장됩니다. 만약 다이에렉트론이 세포가 에너지를 생성하는 방식의 실제 일부라면, 이들의 우발적인 붕괴는 인체 내부의 손상 원인이 될 수 있습니다. 논문은 뇌가 가장 많은 에너지를 필요로 하는 영역에서 뉴로멜라닌(neuromelanin)이라는 색소를 생성하며, 이 색소가 알츠하이머와 같은 신경 퇴행성 질환과 자주 연관된다는 점을 지적합니다. 만약 전자 쌍의 붕괴가 소프트 X선을 방출한다면, 뇌는 이 내부 방사선으로부터 스스로를 보호하려고 노력하는 것일 수도 있습니다. 연구자는 적절한 리보플라빈의 부족과 같이 이러한 전자 쌍의 안정성에 영향을 미치는 조건들이 신경계 질환에 기여할 수 있다고 제안합니다. 이 논문은 치료법을 제시하는 데까지 나아가지는 않지만, 이 숨겨진 메커니즘을 이해하는 것이 왜 이러한 질병이 발생하는지, 그리고 어떻게 예방할 수 있는지에 대한 새로운 경로를 열 수 있다고 제안합니다. 이 연구는 전하와 물질의 본질에 대해 전자 전달계가 정말로 비밀을 숨기고 있는지 확인하기 위해 더 발전된 도구로 추가 조사를 요청하는, 구체적인 관찰 결과에 기반한 하나의 가설이자 제언으로 남아 있습니다.