모든 살아있는 세포는 막의 한 쪽에서 다른 쪽으로 에너지 전자를 동축하여 스스로 전력을 공급합니다. 이를 달성하기 위한 막 기반 메커니즘은 어떤 의미에서 유전 암호만큼 생명의 보편적인 특징입니다. 그러나 유전 암호와 달리 이러한 메커니즘은 모든 곳에서 동일하지 않습니다. 가장 단순한 두 종류의 세포인 박테리아와 고세균은 화학적으로나 구조적으로 다른 에너지를 생산하는 막과 단백질 복합체를 가지고 있습니다. 이러한 차이로 인해 최초의 세포가 어떻게 에너지 요구를 충족했는지 추측하기 어렵습니다.
이 신비가 이끄는 닉 레인, University College London의 진화 생화학 교수, 생명의 기원에 대한 비 정통적인 가설. 우리가 알고 있는 세포가 진화하는 동안 원시 형태의 신진대사를 지원하면서 작은 장벽을 가로지르는 전기화학적 구배가 자연적으로 발생하는 지질학적 환경에서 생명이 발생했다면 어떻게 될까요? 이것이 가능할 수 있는 장소는 심해저에 있는 알칼리성 열수 분출구, 거의 광물화된 스폰지와 같은 다공성 암석 형성 내부입니다.
Lane은 이 도발적인 아이디어를 다양한 저널의 서류, 그리고 그는 다음과 같은 그의 책에서 그것에 대해 언급했습니다. 중요한 질문, 그는 "탄소 및 에너지 대사는 양성자 구배에 의해 구동되며, 정확히 통풍구가 무료로 제공한 것입니다."라고 썼습니다. 그는 최근 저서에서 일반 대중을 위한 아이디어를 더 자세히 설명합니다. 트랜스포머: 삶과 죽음의 깊은 화학. 그의 관점에서 신진대사는 생명의 중심이며 유전 정보는 그 반대가 아니라 신진대사에서 자연스럽게 나옵니다. Lane은 이러한 역전의 의미가 암과 노화의 특성을 포함하여 생물학의 거의 모든 큰 미스터리에 영향을 미친다고 믿습니다.
Lane의 이론은 여전히 생명의 기원에 관한 허술한 분야의 많은 이론 중 하나일 뿐입니다. 대부분의 과학자는 아니더라도 많은 과학자들이 생명이 시작되었다는 이론을 지지합니다. 자기 복제 혼합물 of RNA 및 기타 분자, 그리고 그것은 햇빛에 의해 양육되어 지구 표면 또는 그 근처에서 발생했습니다. 생명을 위한 도가니로서의 열수 분출구에 대한 연구는 최근 수십 년 동안 호황을 누리고 있지만, 일부는 담수의 화산 분출구, 해저의 깊은 통풍구가 아닙니다. 그러나 Lane의 설명이 생명이 어떻게 시작되었는지에 대한 모든 질문에 답하지는 못하지만 단백질 및 기타 필수 생체 분자의 에너지 집약적 합성이 어떻게 일어날 수 있었는지에 대한 어려운 질문을 다룹니다.
에너지의 필요성이 어떻게 생명의 진화에 영향을 미치고 제약을 가했는지에 대한 연구는 항상 동료 검토 저널에 100편 이상의 논문을 발표한 과학자이자 과학 저술가로서 Lane의 경력의 중심 주제였습니다. Lane은 생명 과학에 대한 공헌으로 2015년 생화학 학회 상을 받았으며 2016년에는 런던 왕립 학회에서 그에게 다음과 같은 상을 수여했습니다. 마이클 패러데이 상 대중에게 과학을 알리는 데 탁월함을 위해.
콴타 최근 런던에 있는 그의 집에서 화상 회의를 통해 Lane과 이야기를 나눴습니다. 인터뷰는 명확성을 위해 압축 및 편집되었습니다.
당신의 책은 에너지와 물질의 흐름이 생명의 진화를 구조화하고 신진대사가 "유전자를 존재하게 합니다." 유전 정보가 아니라 신진대사가 먼저 진화했다고 생각하는 가장 설득력 있는 이유는 무엇입니까?
"정보 우선"의 순수한 관점은 환경의 일부 프로세스가 뉴클레오타이드를 만들고 뉴클레오타이드가 폴리머 사슬로 연결되는 프로세스를 거치는 RNA 세계입니다. 그런 다음 우리는 RNA 집단을 가지고 있고 그들은 모든 것을 발명합니다. 왜냐하면 그들은 반응을 촉매하고 자신을 복제할 수 있기 때문입니다. 그렇다면 RNA는 어떻게 모든 신진대사, 세포, 공간 구조 등을 발명했을까요? 유전자는 오늘날에도 실제로 그렇게 하지 않습니다. 세포는 세포에서 나오고 유전자는 따라갑니다. 그렇다면 왜 유전자는 맨 처음에 그것을 했을까요?
그리고 그들은 그것을 어떻게 할 것입니까? 생화학적 경로에 10개의 단계가 있고 그 중 어느 한 단계 자체가 별 소용이 없다고 가정해 봅시다. 경로의 모든 제품은 진화를 위해 유용해야 하지만 그렇지 않습니다. 하나의 진로조차 진화하기가 너무 어려워 보입니다.
대안은 무엇입니까?
대안은 이러한 일들이 유리한 조건 하에서 자발적으로 발생하고 전체 경로를 따라 한 중간체에서 다음 중간체로 매우 적은 양의 상호 변환을 얻는다는 것입니다. 그다지 많지는 않을 것이고, 효소 촉매 반응에 비해 그리 빠르지도 않을 것이지만, 거기에 있을 것입니다. 그런 다음 이후 단계에서 유전자가 발생하면 이러한 단계를 촉매할 수 있으므로 전체 경로의 속도를 높이는 경향이 있습니다.
그러면 문제가 훨씬 쉬워집니다. 그러나 그것은 또한 이 경로의 모든 화학이 선호되어야 한다는 불안한 예측을 합니다. 그리고 당신은 또 다른 경로에 대해 그렇게 말하고 생화학의 핵심이 유전자가 없을 때 열역학적으로 선호된다는 것은 점점 더 무서운 제안이 됩니다.
XNUMX~XNUMX년 전에는 증거가 없었기 때문에 이 입장을 유지하기가 쉽지 않았습니다. 그러나 그 이후로 이러한 경로 중 적어도 서너 개는 실험실에서 낮은 수준에서 자발적으로 발생하는 것으로 입증되었습니다. 모든 경로가 완료되는 것은 아니지만 중간 단계가 발생합니다. 우리가 이미 상당히 정교한 원대사를 하고 있는 세계에서 유전자가 존재하게 되었다고 말하는 것이 불합리한 입장이 아닌 것처럼 보이기 시작합니다.
원대사가 심해 열수 분출구에서 어떻게 진화할 수 있었는지 이야기해 봅시다. 탄수화물, 지방 및 단백질에서 에너지를 얻는 대사 과정인 Krebs 주기의 시작을 선호한다고 생각하게 만드는 통풍구 환경은 무엇입니까?
생명이 시작되는 것부터 시작합시다. 수소와 이산화탄소는 쉽게 반응하지 않습니다. 삶이 그들을 어떻게 반응하게 만들까요? 미토콘드리아와 특정 박테리아에서 볼 수 있듯이 생명체는 막의 전하를 사용하여 수소에서 페레독신과 같은 철 황 단백질로 전자를 전달합니다. 고대 단백질의 중심에 있는 철 이온과 황 이온의 작은 클러스터는 작은 광물과 같습니다. 열수 분출공에서 이러한 광물을 얻고 이산화탄소와 수소도 얻습니다. 다공성 암석에는 전하가 있는 얇은 장벽도 있습니다.
문제는 배출구에 있는 이 구조가 이산화탄소와 수소 사이의 반응을 효과적으로 유도하는가 하는 것입니다. 그리고 지난 XNUMX~XNUMX년 동안 연구실에서 찾은 답은 '예, 정말 그렇습니다'입니다. 우리는 많이 얻지는 못하지만 프로세스를 최적화하기 시작하면서 더 많은 것을 얻고 있으며 우리가 보고 있는 것은 Krebs 사이클 중간체입니다. 그리고 약간의 질소를 넣으면 생명체가 사용하는 것과 동일한 아미노산을 얻게 됩니다.
따라서 이 화학은 열역학적으로 선호됩니다. 다루기 힘든 첫 번째 단계일 뿐이지만 열수 분출구의 전하가 첫 번째 단계에 대한 장벽을 낮추는 것처럼 보이므로 나머지는 일어날 수 있습니다. 사실상 당신이 가진 것은 이 전기화학 반응을 통해 진행되는 열수 유체의 지속적인 흐름이며, 환경의 가스를 더 많은 유기 분자로 변환합니다. 그들 자신의. 아주 거친 형태의 성장이지만 그런 의미에서 생생합니다.
그렇다면 이 최초의 원시 세포는 열수분출구에서 무료로 얻은 양성자 구배로부터 어떻게 독립하게 되었습니까?
이것의 많은 부분은 추측에 불과하지만 답은 독립적인 유전자가 필요하다는 것입니다. 그래서 이것은 근본적인 질문입니다. 언제 어디서 유전자가 들어오는가?
우리는 이론적으로 RNA의 무작위 서열을 도입하고 거기에 있는 뉴클레오타이드가 중합될 수 있다고 가정하면 작은 뉴클레오타이드 사슬을 얻는다는 것을 보여주었습니다. XNUMX개 또는 XNUMX개의 임의의 문자 길이를 가정해 봅시다. 거기에 인코딩된 정보는 전혀 없습니다. 이제 이것이 실제로 도움이 될 수 있는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 그것이 더 많은 RNA에 대한 주형 역할을 한다는 것입니다. 즉, 해당 서열에 정보가 없더라도 동일한 서열의 정확한 사본을 템플릿화할 수 있습니다. 그러나 이것이 원칙적으로 할 수 있는 두 번째 일은 아미노산의 주형 역할을 하는 것입니다. 아미노산과 RNA의 문자 사이에는 비특이적 생물물리학적 상호작용 패턴이 있습니다. 소수성 아미노산은 소수성 염기와 상호작용할 가능성이 더 큽니다.
따라서 비무작위 펩타이드를 생성하는 무작위 RNA 서열이 있습니다. 그리고 그 비무작위 펩타이드는 성장하는 원세포에서 우연히 일부 기능을 가질 수 있습니다. 그것은 세포가 더 잘 자랄 수도 있고 더 나빠질 수도 있습니다. 그것은 RNA가 스스로 복제하는 것을 도울 수 있습니다. 보조 인자에 결합할 수 있습니다. 그런 다음 해당 펩타이드와 이를 생성한 RNA 서열을 선택할 수 있습니다. 매우 기초적인 시스템이지만 이것은 우리가 이제 막 유전자, 정보 및 자연 선택의 세계에 진입했음을 의미합니다.
우리는 정보가 없는 시스템에서 정보가 있는 시스템으로 이동했으며 시스템 자체에는 거의 변화가 없습니다. 우리가 한 일은 무작위 RNA를 도입하는 것뿐입니다. 자, 사실인가요? 그들은 가장 아름다운 아이디어가 추악한 사실과 함께 죽을 수 있다고 말합니다. 그리고 사실이 아닐 수도 있지만 사실이 아니라는 게 믿기지 않을 정도로 설명력이 높다.
그래서 열수 분출구에서 우리는 크렙스 순환 중간체를 얻습니다. 그런데 어떻게 그것들이 하나의 주기로 모였습니까? 이것이 반응의 선형 사슬이 아니라 주기로 작동한다는 것이 중요합니까?
우리는 종종 동일한 에너지 생성 반응을 반복해서 수행하는 크렙스 주기에 초점을 맞춥니다. 그러나 Krebs 주기는 양방향으로 작동할 수 있습니다. 우리의 미토콘드리아에서는 중간 분자에서 이산화탄소와 수소를 제거하여 에너지를 위해 막에 전하를 생성합니다. 그러나 많은 고대 박테리아에서는 정반대로 작용합니다. 멤브레인의 전하를 사용하여 이산화탄소 및 수소와의 반응을 유도하여 중간체를 만들고 이것이 성장에 필요한 아미노산을 만들기 위한 전구체가 됩니다.
고대 박테리아뿐만 아니라 우리 세포도 여전히 생합성을 위해 크렙스 회로를 사용합니다. 우리는 1940년대부터 크렙스 회로가 때때로 우리 세포에서 역행할 수 있고 그 중간 분자가 때때로 아미노산을 만들기 위한 전구체로 사용된다는 것을 알고 있었습니다. 우리의 미토콘드리아는 세포의 필요에 따라 에너지 생성과 생합성이라는 두 가지 상반된 과정의 균형을 맞추고 있습니다. 이것에 대해 일종의 음과 양이 있습니다.
크렙스 주기는 그것이 처음 발견된 비둘기의 비행 근육과 같은 가장 에너지가 높은 세포를 제외하고는 결코 진정한 주기로 작동하지 않았습니다. 대부분의 세포에서 Krebs 주기는 사물이 서로 다른 지점에서 들어오고 나가는 주기라기보다는 원형 교차로에 가깝습니다. 그리고 양방향으로 갈 수 있는 로터리라서 좀 지저분합니다.
산소의 증가는 선호하는 대사 흐름의 방향과 최초의 다세포 동물의 진화와 어떻게 연결되었습니까?
최초의 동물은 대부분의 시간 동안 산소 수준이 정말 낮았을 때 진화한 것 같습니다. 그들은 하수구의 가스처럼 황화물로 가득 찬 진흙 속을 기어 다녔습니다. 이 초기 벌레는 기어다니기 위해 약간의 산소가 필요했지만, 이 모든 황화물을 해독하고 주변 환경에서 많은 이산화탄소를 처리해야 했습니다.
그렇게 할 수 있는 유일한 방법은 다른 일을 하는 다른 유형의 조직을 사용하는 것이라는 생각이 들었습니다. 기어가는 순간 근육이 필요하고 일종의 호흡기가 필요합니다. 그것은 두 가지 유형의 조직입니다. 그 중 하나는 산소를 유지하고 필요할 때 제공해야 하며 다른 하나는 산소가 없는 상태에서 작동해야 합니다. 그들은 크렙스 주기를 통해 다른 플럭스를 사용하여 다른 방식으로 생화학을 수행해야 합니다. 한 번에 두세 가지 일을 하도록 강요받는 것입니다.
이와 대조적으로 에디아카라 동물군이라고 불리는 단순한 유기체의 신비한 그룹이 있었습니다. 그들은 바다에서 약 200미터 깊이에 살았고 약 540억 XNUMX천만년 전 캄브리아기 폭발 직전에 멸종했습니다. 그때 환경의 산소 수준이 떨어졌습니다. 에디아카라 동물군은 조직 분화가 많지 않았고 생화학적으로 한 번에 한 가지 일만 할 수 있었습니다. 캄브리아기 직전에 산소 수치가 떨어졌을 때 그들은 새로운 환경에 적응할 수 없었습니다.
그러나 조직이 여러 개 있으면 병렬로 작업을 수행할 수 있습니다. 이 조직이 하는 일과 저 조직이 하는 일의 균형을 맞출 수 있습니다. 에너지와 생합성을 동시에 아주 쉽게 할 수는 없습니다. 둘 중 하나를 하는 것이 더 쉽습니다. 그런 종류의 힘은 우리가 다른 조직에서 다른 신진 대사를 갖도록 합니다.
따라서 조직 분화는 "이것은 간이 될 것입니다." 또는 "이것은 신경 조직이 될 것입니다. "라고 말하는 유전자를 갖는 것만이 아닙니다. 그것은 이전에는 불가능했던 생활 방식을 허용하고 첫 번째 벌레가 다른 모든 것을 죽이는 나쁜 조건을 통과하도록 허용했습니다. 그 후에 캄브리아기 대폭발이 일어났다. 마침내 산소 수치가 올라갔을 때, 여러 조직을 가진 이 미화된 벌레가 갑자기 마을에서 유일한 쇼가 되었습니다.
이것은 암에 대한 당신의 생각과 연결되어 있습니다. 1970년대 이후로 암을 치료하고 예방하기 위해 일하는 대부분의 생의학 시설은 발암유전자에 초점을 맞추었습니다. 그러나 당신은 암이 유전적 질병이 아니라 대사적 질병이라고 주장합니다. 이유를 설명해 주시겠습니까?
약 10년 전, 암 커뮤니티는 일부 암에서 돌연변이가 크렙스 주기의 일부를 역행시킬 수 있다는 발견에 놀랐습니다. 크렙스 주기는 일반적으로 에너지를 생성하기 위해 앞으로만 회전하는 것으로 가르치기 때문에 상당히 충격적이었습니다. 그러나 암세포가 에너지를 필요로 하는 동안 실제로 더 필요한 것은 성장을 위한 탄소 기반 빌딩 블록이라는 것이 밝혀졌습니다. 그래서 종양학의 전체 분야는 크렙스 주기의 역전을 암세포 성장을 돕는 일종의 대사 재배선으로 보기 시작했습니다.
이 발견은 또한 암세포가 주로 호기성 해당작용에 의해 성장한다는 사실을 재해석하게 했습니다. 실제로, 암세포는 호흡을 위해 미토콘드리아에서 산소를 태우는 것에서 산소가 있는 경우에도 효모 세포와 같은 에너지를 위해 발효하는 것으로 전환합니다. 거의 100년 전에 Otto Warburg가 이것을 보고했을 때 그는 에너지 측면에 초점을 맞췄습니다. 그러나 암 커뮤니티는 이제 이러한 변화가 성장에 관한 것이라고 보고 있습니다. 에너지를 호기성 해당과정으로 전환함으로써 암 세포는 다른 목적을 위해 미토콘드리아를 비웁니다. 암세포는 생명의 빌딩 블록을 만들기 위한 생합성 미토콘드리아를 가지고 있습니다.
암에서 발암 유전자 돌연변이를 보는 것은 사실입니다. 그러나 암은 단순히 세포가 멈추지 않고 계속 성장하도록 하는 어떤 유전적으로 결정적인 돌연변이에 의해 발생하는 것이 아닙니다. 성장을 위한 허용 환경을 제공하기 위해 신진대사도 중요합니다. 이런 의미에서 성장은 유전자보다 먼저 온다.
돌연변이의 축적이 아니라면 나이가 들수록 암에 더 취약해지는 이유는 무엇일까요?
Krebs 주기를 늦추는 호흡 손상은 생합성으로 역전될 가능성이 더 높다고 생각합니다. 우리가 나이가 들고 모든 종류의 세포 손상이 축적됨에 따라 우리 신진대사의 이 중심 부분은 아마도 뒤로 가기 시작하거나 효율적으로 앞으로 가지 않을 가능성이 더 커질 것입니다. 그것은 우리가 더 적은 에너지를 갖게 된다는 것을 의미합니다. 그것은 우리가 내뿜는 이산화탄소를 다시 유기 분자로 바꾸기 시작하기 때문에 체중이 증가하기 시작한다는 것을 의미합니다. 암과 같은 질병의 위험이 증가하는 이유는 그러한 종류의 성장 경향이 있는 신진대사가 있기 때문입니다.
노인학 커뮤니티는 10년에서 20년 동안 이러한 노선을 따라 이야기해 왔습니다. 노화 관련 질병의 가장 큰 위험 요소는 돌연변이가 아닙니다. 늙었다. 노화의 근본적인 과정을 해결할 수 있다면 대부분의 노화 관련 질병을 치료할 수 있습니다. 여러모로 감질나게 단순해 보인다. 정말 갑자기 120살이나 800살까지 살게 될까요? 나는 그것이 곧 일어날 것이라고 보지 않습니다. 그런데 문제는 왜 안 되느냐는 것입니다.
우리는 왜 늙는가? 장착 세포 손상의 원인은 무엇입니까?
우리는 지난 XNUMX~XNUMX년 동안 크렙스 주기 중간체가 강력한 신호라는 사실을 발견했습니다. 따라서 주기가 느려지고 뒤로 가기 시작하면 중간체가 축적되기 시작하고 숙신산과 같은 것들이 미토콘드리아에서 출혈하기 시작합니다. 그들은 수천 개의 유전자를 켜고 끄고 세포의 후생유전학적 상태를 변화시킵니다. 노화는 신진대사 상태를 반영합니다.
우리는 신진대사가 신체의 모든 단일 세포에서 초당 약 20억 개의 반응을 수반한다는 사실을 잊는 경향이 있습니다. 크렙스 회로의 핵심을 포함하여 이러한 모든 경로에서 지속적으로 변형되는 분자의 엄청난 양은 압도적입니다. 거침없는 반응의 강입니다. 우리는 그 흐름을 되돌릴 수는 없지만 은행들 사이에서 조금 더 나은 채널을 만들 수 있기를 바랄 수 있습니다.
