생명활동을 관장하는 <체내시계>의 수수께끼에 다그친다.

생명활동을 관장하는 <체내시계>의 수수께끼에 다그친다.

 

 

--ATP분해산소가 체내시계의 24시간 주기를 결정하고 있다.--

 

지구상에 사는 거의 모든 생물은 1일 24시간의 주기에 따라 살고 있다. 사람도 밤이 되면 잠을 자고 아침이 오면 비록 주위가 어둡더라도 자연히 눈이 뜬다. 생각해보면 이것은 매우 불가사의한 일이다. 생물은 왜 주야를 인식하고 24시간이라는 주기를 파악할 수 있는 것일까?
이 답은 생물의 몸 안에 가지고 있는 <시계>에 있다.
<생명은 세포내에 ‘체내시계’를 가지고 있고 유전자 발현이나 생리적 반응 등 많은 생체활동은 24시간의 진동 곧 활동일주기로 새겨져있다.> 그렇게 설명한 데라우치 가즈기(寺内一姫)는 생물이 가진 이 시계의 수수께끼에 매료된 한 사람이다.
그녀는 체내시계의 성질이 감추어진 단순한 생물이라고 하는 시아노박테리아를 써서 체내시계의 매카니즘 해명에 도전하고 있다.

<시아노박테리아는 약 30억 년 전부터 지구에 생식하고 있다고 하는 최고의 광합성원핵생물이다. 이 시아노박테리아에 활동일주기가 있음을 처음으로 관찰된 것은 1986년의 일이다.
연구가 진행되어 1993년에는 박테리아와 같은 단순한 생물마저 ‘체내시계’를 가지고 있음이 증명되었다. 다시 1998년에는 시아노박테리아의 세포에서 ‘시계’를 관장하는 단백질을 만드는 3개의 유전자가 발견되었다.>고 설명하였다.

 

* 활동일주기(circadian rhythm /활동일주기, 활동일주기 또는 '일주율'은 식물, 동물, 균류, 심지어 박테리아까지 포함하는 지구상의 생명체들에서 생화학적, 생리학적, 또는 행동학적 흐름이 거의 24시간의 주기로 나타나는 현상이다. 위키백과)

 

이들 유전자는 발견한 일본인 연구자들에 의하여 회전의 회수에 유래하여 、KaiA、KaiB、KaiC 라고 명명되고 있다. 다시 체내시계의 연구에서 충격적이었던 것은 2005년 KaiA、KaiB、KaiC를 써서 시험관 내에서 체내시계의 재구성이 가능해진 것이었다. <초파리 등 다른 생물에도 체내시계의 역할을 담당하는 단백질을 만드는 유전자가 밝혀지고 있는데 시험관 내에서 단백질의 * 활동일주기(circadian rhythm)를 재현할 수 있었던 것은 시아노박테리아뿐이다. 이로써 체내시계의 연구가 크게 진전하게 되었다.>고 데라우치는 그 공적을 말한다.
3개의 단백질 중 KaiC는 인산결합부위를 가진 ATP분해산소를 포함한 육량체(六量體/hexamer=6개의 분자가 모인 제제)가 2개 겹친 것 같은 구조를 하고 있다. 시험관 내에서 시계단백질의 활성을 재현할 수 있게 된 결과
KaiC가 ATP를 가수분해하여 인산기(燐酸基)를 끌어들이거나(인산화) 방출하거나(탈인산화)를 반복하는 24시간의 리듬을 만들고 있는 일 다시 KaiA와 KaiB는 그 작용을 돕고 있다는 것이 밝혀졌다.
<그런데 아무런 자극도 주지 않는데 반응이 24시간주기로 반복된다는 것은 보통으로는 얻을 수 없는 화학반응이다.> 데라우치는 이 불가사의를 풀어 밝힘으로써 체내시게의 매카니즘에 다가가려 하고 있다.

--광합성을 행하는 미생물 중에서도 최고의 생물, 시아노박테리아. 약 30역 년 전에는 지구상에 존재했다고 한다.--

--시아노박테리아의 세포내에 있는 KaiC분자의 모형, 마치 시계처럼 보이는 이 모양은 전 세계 연구자를 놀라게 했다.--

지금까지의 연구 성과로서 데라우치는 시아노박테리아의 체내시계가 KaiC의 ATP가수분해에 의하여 결정되고 있음을 밝혔다. <3개의 시계단백질 중에서도 중심진동체인 KaiC는 ATP가수분해로 인한 에너지를 써서 활동일주기가 되고 있다. 그러나 시계단백질이 쓰는 에너지는 극히 미량인 때문에 ATP분해활동이 에너지원이 되고 있는 것은 오래 알지 못했었다.>
그래서 데라우치는 24시간 주기보다 짧은 혹은 긴 진동리듬을 새기는 KaiC의 변이형을 제작하여 시아노박테리아 본래의 KaiC의 ATP분해활성과 비교하는 실험을 행하였다. < 그 결과 진동주기의 역수(逆數)인 진동수와 ATP분해의 속도가 비례한다는 것이 판명되었다.> 이것은 곧 KaiC의 ATP 분해의 속도가 24시간이라는 주기를 결정하고 있음을 의미한다. 이에 따라 활동일주기의 발생기구의 기반이 ATP분해산소에 있다는 것이 명백해졌다.
<기타에도 체내시계에는 "온도에 좌우되지 않는다"고 하는 성질이 있고 세포주변의 온도가 높아도 낮아도 24시간이라는 주기가 흐트러짐은 거의 없다. 더해서 주위의 환경에 활동일주기를 동조시키는 동조현상도 특징적인 성질이다. 외국에 가서 주야의 시간이 바뀌면 일시적으로 '시차'가 일어나지만 이윽고 환경에 적응하여 체내시계는 현지 시간에 리셋된다. 이것이 동조현상이다. 이리하여 체내시계 특유의 성질에 대해서도 그 구조를 해명하고 싶다고 생각하고 있다.> 데라우치.
그 한편으로는 시아노박테리아처럼 원시적인 생물이 어째서 지구의 자전주기인 <24시간>을 세포내에 기억하게 되었는지 그 이유를 밝히려 하고 있다. <생명의 존속에 빠질 수 없는 광합성을 효율 좋게 행하기 위해서 지구의 자전에 맞추어 체내시계를 발달시킨 것이 아닌가하고 생각하고 있는데 과학적인 답에는 아직 나오지 않고 있다.>고 말한다.
그 답으로 다가가는 연구로서 광환경(光環境)에 응하여 시아노박테리아의 세포내에서 일어나는 변화를 조사한 실험에서 빛의 강도가 활동일주기의 주기의 길이에 관여하고 있음을 시사하는 결과를 얻고 있다.
태고로부터 현재까지 살아온 생물의 <24시간의 기억>의 수수께끼를 해명하는 연구가 우리들 인간을 포함한 생명을 이해하는 데에 이어진다.
* 출처=www.ritsumei.ac.jp › life › story8
* 연구자
데라우치 가즈기(寺内一姫)

생명과학부 교수. 연구테마= 시아노박테리아의 활동일주기와 생리학
연구분야= 기능생물화학. 식물분자생리학