고분자과학과 기술 제 19 권 3 호 2008년 6월 241 오늘날 분자생물학의 발전은 괄목할 만하다.
모든 생명체의 기능을 도식적이고 개괄적으로 설명하던 수준을 넘어서 분자론적으로 설명하고져 노력하고 있다. 그러나 아직도 그 수준은 유기화학의 메카니즘적인 수준에서 보면 앞으로 많은 발전이 있어야 한다. 생명체의 이상현상을 정확히 설명하고 그에 대한 대처방안을 모 색함에 있어서 분자론적 설명이 절대 필요하기 때문이다.
많은 생(生, life)의 현상 중에 풀리지 않은 문제들이 많지만 그 중에서 많은 논란이 계속되고, 아직도 원시적인 추측수준에서 벗어나지 못 하고 있는 문제로 생명체의 기원에 관한 문제가 있다. 아직도 생화학책에는 1920년대의 A. I. Oparin의 30억년 전에 따뜻한 원생액(primodial soup)에 천둥번개가 치고, 화산이 폭발하여 에너지가 공급되어 생활성의 물질들이 생겨나고 이것들이 새로 회합하여 결국 효소도 생기고 DNA 도 생겨 생명체들이 생겨나기 시작했다는 설명이 기술되어 있으며, H. Urey실험실에서의 실험 즉, 원생대의 가상적인 NH3, CH4, H2, H2O, CO2
등의 혼합기체에 전극으로 방전시켜 HCN이 생겨났으며, 핵산의 기본단위들이 생겨났고, RNA가 생성하게 된 것으로 설명되어 있다.
오늘날의 분자생물학자들이 과연 이러한 설명가지고 만족할 수 있을까? 가장 미궁의 문제는 거대분자(macromolecules)가 어떻게 해서 생성 되었느냐 하는 것이다. 생활성 고분자들은 다성분계로 정확한 서열로 이루어 지는 큰 분자량의 공중합체(multi-component copolymers of precisely controlled sequence)인데, 오늘날의 고도로 발달된 합성기술로도 이러한 고분자의 합성은 난제로 되어 있다. 따뜻한 원생액속에 여러 가지 아미노산을 넣고 이러한 고분자가 자연 발생적으로 우연히 생겨났다고 생각하는 것은 확률적으로 0이 아니고 0.000....의 전혀 가 능성이 없는 화학반응이다. 더군다나 고분자를 이루는 반응들은 열역학적으로 엔트로피가 감소하는 반응이어서 자연적으로 일어나기는 더더 욱 어려운 반응이다. 자연적으로 일어나는 반응으로는 오히려 해중합반응이 유리하다.
진화론과 창조론의 논쟁에 있어서 창조론자들이 진화론의 부당함을 공격할 때 그 초점이 바로 이점이다. 열역학적으로 생체고분자의 자연 형성이 불가능하다는 주장이다. 진화론의 가장 미해결의 애매한 생의 기원의 설명에 있어서 생체고분자의 자연합성을 문제삼고 있다.
그렇다면 ΔS가 positive 또는 0(zero)인 중합반응계는 불가능한 것일까? 가능하다. 즉 모노머들을 어떤 방식으로 중합체와 같이 나열시켜 (prealignment) ΔS를 줄인 다음 중합반응을 진행시키면 중합반응에 수반되는 ΔS 값을 0 내지는 최소화시킬 수 있다.
모노머를 나열시키는 방법은 여러 가지가 가능한데 그 한 가지는 양성모노머(amphiphilic monomers)들이 용액속에서 bilayer을 이루는 것이 한 예다. 이러한 bilayer를 이룬 모노머들은 어떤 경우 거의 무촉매로 또는 작은 충격으로 중합이 진행됨을 관찰할 수 있다. ΔH 값이 negative이므로 ΔF 값은 언제나 negative가 된다.
또 다른 가능성은 고상중합이다. 모노머가 결정 상태에서 적은 충격 또는 약간의 열로 고분자로 바뀌는 반응들이 있다.
그러나 이러한 반응은 여러 가지 모노머들이 공결정을 이루어야 한다는 전제조건이 필요하기 때문에 서열 공중합체를 합성하는 데는 큰 제약이 있다.
그림. Template polymerization.
일 반 기 고
生의 起源(Origin of Life)에 대한 한 高分子科學者의 發想
조 의 환 (한국고분자학회 8대 회장)
242 Polymer Science and Technology Vol. 19, No. 3, June 2008 가장 가능성이 크고 이용가치가 있어 보이는 방법으로는 주형중합(template polymerization)이 있다. 생화학이나 분자생물학에서 보여주 는 단백질의 생합성이나 핵산들이 형성되는 과정은 모두가 주형중합반응이다. 이는 물론 서열을 조절하는데 절대 필요하지만 열역학적으로 도 유리한 반응으로 보여진다. 합성고분자분야에서도 한 가지 고분자에 모노머를 흡착시켜 중합시킴으로써 중합반응도 잘 가지만 여러 가지 입체화학도 조절이 가능함이 보고되어 있다. 나일론에 acrylic acid를 기상 흡착시키면 촉매가 없어도 중합이 진행됨을 필자의 실험실에서도 관찰한 적이 있다.
물론 생체고분자의 경우 연쇄반응으로 고분자를 합성하는 예는 거의 없다. 모두가 축합반응이다. 이는 아마도 반응의 control이 문제이기 때 문일 것이다. 만약 어떤 주형이 존재하고 모노머들이 나열하여 열역학적으로 고분자의 형성이 유리해 지는 경우 평형을 탈수(dehydration)쪽으 로 보낼 수 있는 환경(예; 소수성환경)이 있을 수 있다면 중합이 유리해질 것이고 꼭 중합효소가 아니더라도 일반 산ᆞ염기 촉매로도 축합반응 을 진행할 수 있지 않을까? 여기서 문제는 주형(template)이다. 생명체가 전혀 존재하지 않은 지구상에 생활성의 주형이 있을 수 없다.
오늘날 발달하고 있는 우주생물학(Astrobiology 또는 Exobiology)은 우주는 살아 있고 은하계에는 수많은 생명체들이 살고 있고, 이들 의 흔적들이 우주 공간을 날아와서 지구에 떨어지고 있다고 보고 있으며, 많은 증거들을 제시하고 있다. 수 억년동안 지구에는 매년 40,000 톤의 탄소계물질(carbonaceous materials)이 떨어지고 있으며 이것의 1톤 정도는 실제 박테리아나 바이러스의 잔유물로 볼 수 있다고 주 장한다. 특히 혜성(comets)에서는 많은 유기물이 검출되고 있는데 CH4, HCN, 각종 alcohols은 물론 아미노산까지도 검출되고 있다.
우주생물학에서 제시하고 있는 생체고분자의 열쇠로 보는 RNA 분자의 생성에 대한 설명은 너무 장황하고 피상적이다. 여기서 한가지 필 자의 발상을 제공하고 싶은데, 가능성으로 생활성고분자가 수 십 억년 전 지구표면에 산소가 없고 CO2 로 덮여 있던 때, 산화분해의 과정을 거치지 않고 지구표면에 외계로부터 진입할 수 있다고 가상해 본다면 문제는 의외로 풀릴 수 있을 것도 같다. RNA 자체가 아니라도 좋다.
RNA분자가 인각(printed)된 무기물로 된 주형(예로 SO2 또는 Al2O3로 된 long channel)이 지구에 떨어져 RNA의 합성이 시작되었다고 생각하면 어떨까? 아직도 우주생물학에서는 이러한 가정을 하지 않고 있지만 우주로부터 날아오는 물질들의 좀 더 정밀한 분석과 외계탐험 에서 얻어지는 결과들이 좀 더 축적된다면 언제인가는 좀 더 긍정적인 가능성으로 등장하지 않을까 생각해 본다
이러한 발상은 그러나 또 다른 가능성으로 이어지는데 이는 왜 한 가지 종류의 RNA만 떨어졌겠느냐 하는 것이다. 외계로부터 무수히 많 은 종류의 RNA가 떨어졌을 것이고 이 중에는 지구의 환경에 적응하지 못해 소멸한 것이 많겠지만 단 한 가지 종류만 살아 남았을 것이라 고 생각하는 것은 너무 단순하고 무리한 가정이다. 즉, Darwin의 종의 기원은 너무 단순한 모델같이 보여진다.
창조과학(Creation Science)에서는 종을 건너는 진화는 인정하려고 하지 않는다. 즉 식물과 동물이 한 가지 종에서 각각 진화되었다는 것 을 인정하지 않는 것이다.
필자는 진화론을 믿는 쪽이지만 그렇다고 무신론자도 아니다.
문제는 외계에 생명체가 존재했거나, 존재한다고 가정한다면 그 생명체들은 어디서 왔으며, 어떻게 생성되었을까? 오늘날의 종교는 지구 에 국한되는 편협적인 입장인데 좀 더 범주를 넓혀 우주의 탄생에 초점을 맞추면 어떨까? 창세기는 지구의 탄생이 아니고 우주의 탄생, 그 무한한 에너지의 공급으로 초점을 맞춘다면 어떨까?
본고는 일생동안 고분자를 공부한 노병이 하염없이 생각해 본 현대과학이 명확히 못풀고 있는 문제에 대한 생각을 미숙하고 거칠지만 정 리하여 본 것이다. 생명체의 가장 중요한 기본 물질이 고분자라는 것은 우연한 일이 아니고 절대 필요하기 때문이다.
“생의 신비”를 풀기 위해서는 고분자의 연구가 필요하며 미래의 고분자학자들의 도전분야임에 틀림없다.
<2008년 여름 홍릉에서>
참고문헌
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