시각을 찍는 박테리아

시각을 찍는 박테리아

 

 

 

생명과 리듬은 본질적으로 나누고 싶은 것이라 말해서 좋을 것이다. 생물의 기본단위인 세포는 분열하여 증가한다. 거기서는 필연적으로 분열이 반복, 곧 리듬이 생긴다. 다세포생물이 되어서 개체가 발생하게 되어도 역시 반복하여 리듬이 보인다. 그래서 개체 내에는 뇌파의 진동이나 해당계(解糖系)의 대사 진동 등 여러 가지의 반응에 따라 일어나는 리듬이 있는데 이들은 비교적 짧은 주기이다. 한편 1년에 한 번 번식하는 생물들은 다시 대나무의 개화처럼 60년 단위라는 장대한 리듬도 있어서 주기는 여러 가지이다. 그 중에서 약 1일 주기의 리듬을 활동일주기(circadian rhythm)라 하고 생물이 체내에 가지고 있는 <생물시계>가 자율적인 활동일주기를 새기고 있음이 근년에 밝혀졌다. 그래서 생물은 그 리듬을 환경에 조화시킨다. 대학 2학년일 때 <생물시계>에 흥미를 가진 것은 여러 가지 생물이 내는 천차만별의 리듬의 재미에 끌린 일이 있는데 실은 아마도 <생물시계>라는 그에 대한 과학사적 흥미였다.

과학이 탄생할 무렵 유럽에서는 시계가 기계의 대표였고 기계의 상징이기도 하였다. 그 이미지는 문화적으로도 사회적으로도 큰 영향을 주어 생명을 시계에 비유하는 의론도 꽤 옛날부터 존재하였다. 그런 문화적인 전통 중에서 현대생물학에서의 <생물시계>라는 것에 대한 견해가 어떻게 생겨나 정착하여 왔는지 매우 마음에 들었던 것이다. 시아노바이러스를 쓴 생물시계의 연구도 <생명과 시계>를 둘러싼 역사의 탐색이다. 이 두 가지가 <때>에 매료된 나의 라이프 워크이다.

 

1, 활동일주기의 기본 모델

 

심해나 동굴 등 극히 예외적인 환경을 제외하면 주야의 교체는 거의 생물에 있어서 가장 중요한 환경변화의 하나이다. 생물은 이 주야 사이클에 효율적으로 적응하기 위하여 체내에 내인성의 활동일주기를 갖추어있다. 소위 <체내시계>, <생물시계>이다. 인간에게는 수면각성, 체온, 내분비계의 활성 등 대단히 많은 생리활성에 활동일주기가 보인다. 활동일주기가 흐트러졌을 경우의 신변의 예가 <시차혼미>로 체내의 리듬과 외계의 환경 사이클의 동조가 강제적으로 풀린 때문에 일어나는 생리장해이다. 또 신경증에 활동일주기의 이상이 관여하고 있는 케이스도 많고 수면 부족으로 여러 가지 사고도 활동일주기를 고려하지 않는 인간의 무모한 영위에서 오는 비극이라 할 수 있다.

활동일주기에는 3개의 특성이 있다. 먼저 빛 등 바깥 환경조건을 일정하게 하여도 진동이 약 24시간 주기로 유지되는 것, 제2로 빛 등 외계자극에 응하여 리듬의 위상이 변하하는 것. 이것은 기계시계의 시각 맞춤에 상당한다. 제3은 여러 가지 온도 조건에서도 주기의 길이가 비교적 안정되어 있다는 것이다. 이러한 활동일주기의 특성을 실현하는 데는 최저한 3가지의 요소가 필요하다. 소위 시계본체인 <진동체>는 약 24시간 주기의 기본진동을 낳는다. <입력계(入力系)>는 그 진동체에 명암 사이클 등의 외계의 환경변화의 정보를 전하여 시계를 바깥 환경에 동조시킨다. 진동체에 따라 낳는 리듬을 여러 가지 생리활성리듬으로 하여 실현하는 것이 시계의 바늘에 해당하는 <출력계(出力系)>이다.

포유동물의 신체의 조직레벨에서 대개 보이는 <입력계>가 눈의 망막에서 뇌에 빛이 들어가는 경로에 해당하고 뇌의 시상하부에 있는 SCN(시교차상핵/視交叉上核) 부위가 <진동체>의 중추에 SNC에서의 시그널을 받는 수면각성이나 면역계의 리듬이 <출력계>가 된다.

 

2, 시아노박테리아의 활동일주기

 

활동일주기는 개체에만 보이는 것이 아니다. 체내에서는 세포간, 조직간의 기능의 동조가 있고 집단에서는 개체간의 동조가 실현한다. 다시 여러 가지 집단끼리의 행동의 상호작용에도 영향이 미쳐 지구상의 생물들의 장대한 공존리듬이 생겨난다. 이처럼 세포에서 지구까지 여러 가지 계층에서 내와 외의 동조를 가져오는 것이 활동일주기의 재미있는 점이다.

활동일주기의 기본을 분자의 일로 하여 이해하려고 하는 것이 현재 우리들의 목적이다. 거기에는 시계시스템의 3요소 <진동체>, <입력계>, <출력계>의 분자 기반을 해명함과 동시에 그것들이 어떻게 상호 관련하고 있는지를 계층적으로 독해할 필요가 있다. 그래서 우리들 구릅은 활동일주기가 보이는 가장 단순한 것 시아노박테리아를 써서 연구하고 있다.

시아노박테리아는 남조(藍藻) 혹은 남색세균이라고도 하여 광합성을 행하는 원핵생물이다. 곤도(近藤) 박사(나고야대학대학원 이학연구과 교수) 등은 시아노박테리아의 활동일주기를 생물 발광 리포터라는 수법을 써서 1주간 이상에 걸쳐 연속적으로 모니터하는 실험계를 조립했다. 이 실험계를 쓰면 시아노박테리아의 고로니(colony/입식지/식민지)의 생물발광 강도에 따라 광합성 관련유전자의 발현에 보이는 활동일주기를 잡을 수가 있다. 곤도 박사 등은 다시 돌연변이를 유발하는 약제로 시아노박테리아를 처리하여 약 24시간 주기의 야생형과는 다르고 정상인 활동일주기를 새기지 않게 된 변이체(變異體)를 분리하였다. 이런 돌연변이의 원인이 되는 유전자를 찾은 결과 시계관련유전자군 kaiA、 kaiB、 kaiC(<회>에 따른다.)가 발견되었다. kaiA、 kaiB、 kaiC는 이웃한 3개의 유전자로 특히 유전자 KaiC의 배열이 겨우 변이할 뿐으로 단주기, 장주기, 무주기 등의 여러 가지 변이가 일어났다.

나는 대학원생으로서 이 작업에 참가하여 주로 이들 시계유전자의 작용을 해석해왔다. 주기변이라는 표현형을 낳는 Ka i유전자군의 존재는 알았으나 실제로 시아노박테리아가 체내에서 리듬을 새기는 구조는 어떻게 되어있는 것일까.

그러면 시아노박테리아의 활동일주기를 낳는 모델로서 최근 낸 것을 보기 바란다. 시계의 기본진동을 발생시키는 진자는 단백질 KaiC이다. 시계유전자 kaiB, kaiC의 발현이 활성화하여 되는 단백질 KaiC는 유전자 kaiB, kaiC는 유전자 kaiB, kaiC를 억제하는 인자이기도 하다.

곧 KaiC가 자신의 발현을 억제하는 부(-)의 피드백을 기초로 기본진동을 발생한다. 한편 유전자 KaiA의 발현이 활성화할 수 있는 단백질 KaiA는 유전자kaiB, kaiC의 발현을 촉진하는 인자이고 정(+) 피드백으로서 작용한다.

다시 단백질 KaiC는 *히스티딘 키나제((histidine kinase) SasA에도 결합하여 그 활성을 주기적으로 조절하여 유전자 KaiB, KaiC의 발현을 조절하여 기본진동을 안정화한다. 또 진동체는 광입력계인자(光入力系因子) CiKA의 발현도 제어한다.

 

==========*히스티딘 키나제(Histidine kinase)

영어에서 번역됨-히스티딘 키나제는 다 기능성이며, 비 동물성 왕국, 전형적으로 막 관통에서, 세포막을 가로 질러 신호 전달에 역할을 하는 트랜스퍼 라제 부류의 효소의 단백질이다. 대부분의 HK는 오토 키나제, 포스 포 트랜스퍼 및 포스파타제 활성을 나타내는 동종이 양체이다. 위키백과(영어)

 

이것만으로도 복잡한데 최근의 해석에 따라 KaiA, KaiB, KaiC가 만드는 기본진동에는 다시 몇 겹의 피드백 과정이 들어가는 것을 알았다. 단백질 KaiC가 KaiA나 KaiB와 주기적으로 상호작용하면서 염색체 DNA의 고차구조에 영향을 끼쳐 광합성이나 생장에 관여하는 유전자를 포함하여 게놈 상의 거의 모든 유전자의 발현을 주기적으로 제어하는 것 같다.

가장 단순하다고 생각되는 단세포인 시아노박테리아라도 이정도로 복잡한 구조로 되어 있다. 생물의 활동일주기가 낳게 하는 구조를 이해하는 데는 세포 전체를 고쳐 보는 작업이 필요하다고 실감하고 있다. 복수의 유전자나 분자가 어떻게 하여 복잡한 네트워크를 구성하여 작용하고 있는지를 확인하여 다시 그 네트워크 시스템 간의 연계를 파악하게 될 것이다. 아마도 생물시계에 한하지 않고 생명현상은 모두 이러한 모양으로 움직이고 있음에 틀림이 없다. 게놈 해석이 행해지고 모든 유전자의 작용의 전체상을 보아가지 않으면 안 되는 현재 이것은 생물 전반에 요구되는 중요과제이다. 활동일주기의 연구는 그 시금석으로도 주목하게 되어가고 있다.

 

3, <생명과 시계>를 둘러싼 역사

 

그런데, 나로서 또 하나의 중요한 과제는 <생명과 시계>에 관한 과학사. 문화사의 탐구이다.

12세기 이후 서구에서는 <시계>는 정확함, 자동기계, 교회의 권위, 왕권, 질서 등의 상징으로서 군림하여 노동형태나 경제관념, 시간감각에 커다란 변경을 가져왔을 뿐 아니라 문화, 사상, 정치에도 거대한 영향을 끼쳤다. 생명이나 인간의 존재방식에도 시계를 중심으로 한 수많은 유명한 논쟁이 있다. 시계를 만든 것은 시계공인이고 인간을 만든 것은 누구인지 하는 물음은 그 중에서도 잘 알려져 있다. 인간뿐 아니라 생명, 사회, 정치체제, 신의 권위까지도 시계에 비유되었었던 것을 보면 시계의 이미지의 뿌리의 깊이는 상당한 것이었다. 한편 생물시계라는 개념은 20세기 초기에 독일에서 탄생하였다.

당시 생명과 시계의 대비의 역사적 경위를 아는 서구의 유식자. 신학자들은 그 개념을 듣고서 어떻게 생각했을까. 혹은 그 무렵에는 구래의 시계의 이미지는 영향력을 잃어버렸던 것일까. 나는 몇 가지의 이유에서 생물시계는 과학사 연구의 흥미 깊은 제재가 될 수 있다고 생각한다.

(1) 기계시계를 전제로 한 생물의 기계 모델 참조형의 개념이라는 것. (2) 생물시계의 연구 자체는 비교적 역사가 옅은 자료수집이 비교적 용이하면서도 항상 학제적이라는 것. (3) 전술한 바와 같이 생명과 시계의 비유에 관한 오랜 전통이 있었다는 것(신학, 자연철학, 사회학, 정치학, 윤리학, 미학). (4) 동서 점성술에 있어서의 바이오리듬적인 사고방식이 생물시계 개념의 등장과 발전에 어떻게 작용했는지가 흥미 깊다는 것. (5) 시간의료를 중심으로 과학의 사회의 언질이 적극적으로 행해졌다는 것

생물시계라는 생물학상의 성과는 몇 세기에나 걸칠 생명과 시간을 싸고도는 여러 가지의 지적탐구의 도달점의 하나이기도 하다. 그 역사 전체를 부감하려고 하는 것은 나로서는 너무나 큰 주제라고 보이지만 그런 시도를 통하여 현재의 생물학 연구의 역사적 함의를 고쳐 묻는 의의는 결코 작지 않다고 믿는다.

 

출처=www.brh.co.jp › publication › journal › research_21

필자=이와사키 히데오((岩崎秀雄)

1971년 도쿄생. 나고야대학 농학부 농학과 졸업. 동대학원 인간정보학연구과 박사전후기과정 수료. 이학박사. 나고야대학대학원이학연구과 조수, 과학기술사업단CREST연구원 겸임.