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[바이오토픽] 고생물학 혁명: 화학적 변형을 통해 보존된 단백질로 수억 년 전 고생물의 생활사 밝혀
생명과학 양병찬 (2019-10-15 09:35)

야스미나 비만(Jasmina Wiemann)의 홈페이지
출처: 야스미나 비만(Jasmina Wiemann)의 홈페이지(참고 1)

▶ 미국 예일 대학교 피바디 자연사박물관의 가장 깊은 곳에서, 야스미나 비만은 천장까지 닿은 캐비닛의 서랍을 연다. 그녀는 사악하리만큼 날카로운 낫 모양의 공룡 발톱을 꺼내는데, 그 색깔이 석탄처럼 새까맣다. "이건 영화 <쥬라기공원>에 나오는 벨로키랍토르의 바탕이 된 데이노니쿠스(Deinonychus)의 기준표본(type specimen)이에요"라고 그녀는 말한다. 새까만 색깔은 뭔가 주목할 만한 신호를 보낸다. 그 화석은 단지 오리지널 발톱의 단순한 광물성 복제품(mineral replica)이 아니며, 비만에 의하면 공룡 잔류물의 2/3—부피 기준—에 해당한다. "장담하건대, 이 표본은 70%의 유기물이에요. 우리가 생각했던 것보다 많죠!"

'화석이 유기물을 포함할 수 있다'는 사실은 새롭지 않다. 최근 모든 분야의 과학에서 '고(古) DNA'와 '온전한 단백질'을 판독하려는 시도가 우후죽순처럼 늘어나고 있다. 그러나 대부분의 연구자들은 "데이노니쿠스의 발톱처럼 오래된 화석에서는, 그런 분자를 나타내는 유용한 시퀀스들 중 대부분이 사라진 지 오래다"라고 생각하고 있다. 하지만 이제 사정이 달라졌다. 비만과 (그녀의 박사학위 지도교수인) 예일 대학교의 더렉 브릭스는, 심지어 수억 년 된 화석 속에서도 '붕괴된 단백질 안에 갇혀있는 정보'를 추출하는 방법을 고안해냈다. "이런 유(類)의 분자적 보존은 실제로 흔한데, 단지 우리가 몰랐을 뿐이에요"라고 비만은 말한다.

그녀와 브릭스는 "한 마리의 동물이 죽은 지 몇 주 후와 몇 달 후에 적당한 조건이 조성되어, 세포의 단백질이 지질 및 당(糖)과 반응할 수 있는 메커니즘"을 밝혔다. 그 과정은 단백질을 '척박한 환경에 강한 폴리머'의 혼합물로 전환하는데, 그 폴리머는 물을 밀치고 미생물에 저항하며 열을 통과시키지 않는다. 그 폴리머는 고기가 갈색으로 변하거나 토스트가 까맣게 탈 때 형성되는 폴리머와 화학적으로 비슷하며, 영겁의 세월 동안 지속된다.

다른 연구자들은 1억여 년 전(공룡 시대)의 온전한 단백질을 발견했다고 주장했지만(참고 2), 고생물학계에서는 단백질이 그렇게 오랫동안 보존될 수 있는 가능성을 의심해 왔다. "단백질이 시간의 붕괴(degradations of time)에서 어렵사리 살아남는 메커니즘을 설명할 수 있는 사람은 아무도 없었다"라고 아일랜드 유니버시티 칼리지 코크(University College Cork)의 마리아 맥나마라(고고학)는 말한다. 비만은 변형된 단백질이 장구한 세월 동안 견뎌낼 수 있는 기막힌 메커니즘을 멋지게 밝혀냈다.

지난해에 개념검증(proof-of-principle) 논문을 발표한 후, 비만과 브릭스는 자신들의 비파괴기법(nondestructive technique)—표본에 레이저를 발사하여, 아주 오래된 화학결합을 드러내는 방법—을 고생물학의 미스터리를 해명하는 데 적용하고 있다. 지난주 호주에서 열린 모임에서, 그들은 자신들이 단백질 잔류물 데이터를 이용하여 '거북이 척추동물의 가계도에서 자리 잡고 있는 위치'를 해명하고 '익룡(pterosaur)—지금껏 날 수 있었던, 가장 큰 동물—이 온혈동물이라는 생각'을 뒷받침한 방법을 설명했다.

"그 기법은 새로우므로, 더 많은 화석과 실험적 연구를 통해 검증될 필요가 있다"라고 맥나마라는 말한다. 그리고 그 방법으로 진화의 수수께끼를 확실히 해명할 수는 없다. 그럼에도 불구하고, 맥나마라와 다른 연구자들은 그 방법의 화학적 메커니즘을 납득하고 있다. "그것은 보존에 대한 전혀 새로운 수준의 통찰을 제공하며, 보존의 이유와 과정을 해명한다"라고 베이징 척추고생물학 및 고인류학 연구소(古脊椎动物与古人类研究所)의 징마이 오코너(고생물학)는 말한다. 놀랍게도, 비만은 고생물학 분야에 혁명을 일으키고 있으며, 화학을 '지금껏 적용되지 않았던 분야'에 적용함으로써 많은 새로운 문(門)들을 열어젖히고 있다."

▶ 비만은 '생체분자가 수억 년 동안 지속될 수 있는 메커니즘'에 대한 최초의 단서를 공룡의 알에서 얻었다. 학부 및 대학원생 시절, 그녀는 독일 본 대학교의 마르틴 잔더가 이끄는 팀에 합류하여, 6,700만 년 전의 공룡알은 하얀색이 아니라 청록색이었음을 밝혔다. 비만은 색소를 분리하기 위해, 알껍질 화석 조각을 용액에 용해시켜 칼슘을 제거했다. 그녀는 그 과정에서 때때로 실험관 바닥에 가라앉은 갈색 잔류물을 발견했다. 현미경으로 들여다보니 알껍질의 유기물 기질(organic matrix)과 비슷하여, 그녀는 그 잔류물이 오리지널 조직의 조각일지도 모른다고 생각했다. "나는 매우 흥분했어요"라고 그녀는 술회한다. 그러나 그녀는 자신이 들여다보고 있는 물체의 정체를 정확히 파악할 시간이 없었다.

그녀는 박사학위를 취득하기 위해 예일로 옮겨 브릭스의 연구실에 합류한 후, 갈색 잔류물의 정체를 밝히는 작업에 착수했다. 그녀는 화석의 뼈와 이빨 조각에서 칼슘을 제거하는 과정에서 더 많은 잔류물을 발견했다. "내가 얻은 잔류물은 신선한 단백질과 전혀 달랐다. 그러나 현미경으로 들여다보니, 연조직(soft-tissue) 구조—혈관, 세포, 심지어 신경돌기—의 애간장 타는 단서를 제공했다.

비만과 브릭스—연조직 보존의 권위자—는 잔류물들이 특정한 유형의 화석(얕은 해저나 철분이 풍부한 사암에서 형성된 밝은색 계통의 암석에서 발굴된, 까만색이나 갈색 화석)에서 왔을 가능성이 높다는 데 주목했다. 그런 환경은 산화력이 있고 '반응성 산소분자와 용해된 금속이온'이 풍부하며, 부식되는 뼈와 조직에 들어오는 물은 알칼리성이므로, 당산화(glycoxidation)와 지질산화(lipoxidation)라는 생화학반응을 촉진하는 조건을 조성한다. 식품화학자들은 그러한 생화학반응을 잘 알고 있을 것이다. 이름하여 메일라드 반응(Maillard reaction)으로, "뭔가를 토스터와 그릴에서 익히거나 캐러맬화할 때, 단백질·지방·당분이 '질기고 복잡한 폴리머'로 전환되어 갈색으로 변하면서(갈변) 종종 맛도 좋아지는 현상 말이다.

【참고】 태곳적 화학결합이 영겁의 세월을 견디는 방법

특정 환경에서, 죽은 생물의 단백질은 붕괴되어 '끈질긴 폴리머'로 전환된다. 상이한 단백질은 상이한 폴리머를 형성하므로, 다양한 화학결합을 분간하는 라만분광법(Raman spectroscopy)을 이용하여 단백질의 오리지널 화학구조에 대한 단서를 얻을 수 있다. 영겁의 세월이 흐른 뒤에도.

 

태곳적 화학결합이 영겁의 세월을 견디는 방법

(GRAPHIC) N. DESAI/SCIENCE; (DATA) JASMINA WIEMANN

10대 시절, 비만은 학부 수준의 유기화학 강의를 수강했다. "그래서 나는 메일라드 반응을 알고 있었고, 단백질이 내수성(water-resistant) 물질로 바뀌는 과정을 이해할 수 있었어요"라고 그녀는 말한다. 그녀는 화석화된 조직의 단백질에서도 그와 비슷한 일이 일어났을지 모른다고 생각했다.

자신의 생각을 검증하기 위해, 비만은 라만분광법(Raman spectroscopy)에 눈을 돌렸다. "특정 화합물을 검색하는 생화학 기법은 수두룩해요. 그러나 라만분광법은 그중에서도 더욱 탐색적이에요"라고 비만은 말한다. 라만분광법은 레이저 광선을 이용하여 샘플 속 화학결합의 유형을 확인한다. 상이한 결합은 상이한 파장의 빛을 흡수하여, 반사광의 스펙트럼에 지문을 남긴다. 그 기법은 비만과 브릭스로 하여금 "갈색 잔류물은 정말로 (당산화와 지질산화의 최종산물인) 복잡한 폴리머로 구성되어 있다"는 사실을 확인하게 해줬다. 그들은 2018년 11월 《Nature Communications》에 발표한 논문에서(참고 3), "현대의 뼈와 알껍질을 인공적으로 화석화한 후 실험실의 산화조건에서 가열한 결과, 천연 화석에서 발견된 잔류물과 동일한 잔류물을 형성하는 것으로 나타났다"고 보고했다.

"상이한 단백질은 상이한 폴리머를 형성하며, 아주 오래된 분자들은 변형에도 불구하고 오리지널 화학구조의 일부를 유지하게 돼요. 그 결과는 고생물을 연구하는 신종 분자도구의 탄생으로 이어져, 태곳적 DNA와 단백질을 보완할 수 있죠"라고 비만은 말한다.

태곳적 DNA는 가장 디테일한 화학정보를 갖고 있지만, 가장 신속히 붕괴한다는 치명적 결점을 갖고 있다. 예컨대 비교적 온전한 단백질은 거의 400만 년 동안 지속될 수 있으며, 근연종(closely related species) 사이에서 여전히 구별될 수 있다. "단백질 잔류물의 경우에는 정보가 감소한다. 폴리머는 3D 구조나 완벽한 아미노산 시퀀스를 보존하지 않기 때문이다. 그러나 그 화합물은 믿을 수 없을 만큼 안정적이며, 영겁의 세월 동안 보존된다는 장점이 있다"고 브릭스는 말한다. 비만에 의하면, 그녀와 브릭스는 캐나다 브리티시컬럼비아의 버지스셰일(Burgess Shale)에서 발견된 5억 년 된 화석에서 단백질 잔류물을 확인했다고 한다.

"두 사람의 주장은 놀랍지만, 그들이 제시한 화학원리는 납득할 만하다"고 일리노이주 시카고 소재 필드박물관의 에반 세이타(고생물학)는 말한다. "요리한 후에 그릴을 긁어본 사람이라면, 그런 단백질 산물이 고온에서도 안정적이며 불용성임을 잘 알 것이다."

그러나 라만분광법 스펙트럼의 의미를 이해하기 위해, 비만은 많은 화석과 현대적 표본들의 스펙트럼 서명(spectral signature)이 수록된 데이터베이스를 구축해야 했다. 그런 다음, 그런 스텍트럼이 고생물에 대한 흥미로운 점을 말해줄 수 있는지 확인해야 했다.

▶ "운좋게도, 비만은 엄청난 컬렉션을 소장한 박물관에서 일하고 있었다"라고 브릭스는 말한다. 그녀가 근무하는 피바디 박물관은 10만 점의 척추동물 화석과 약 450만 점의 무척추동물 화석을 소장하고 있으니 말이다." 비만은 저녁마다 '천장까지 닿은 캐비닛'을 뒤져, 밝은 퇴적층 속에서 발견된 '숨길 수 없는 흔적을 지닌 까만색 화석'을 찾았다. "야밤에 이 전시실을 찾는 사람은 아무도 없어요"라고 그녀는 말한다. "정말 흥미로워요."

라만분광법이 표본을 손상시키는 것은 아니므로, 큐레이터들은 표본을 연구용으로 대여했다. 복도 끝에 자리 잡은 비만의 연구실은 수많은 지질시대와 계통수 전반에서 유래한 표본들로 가득 차있는데, 각각의 표본들은 신중하게 라벨링된 상자 속에 담겨있다. "큐레이터들은 비파괴기법의 가치를 명확히 인정하고 있어요"라고 그녀는 말한다.

그녀는 지금까지 (커다란 현미경처럼 보이는) 라만분광기를 이용하여 100여 점의 표본들을 분석했다. 그녀는 유타주의 카본 카운티에서 발굴된 (아주 까맣게 반짝이는) 알로사우루스(Allosaurus)의 화석, 와이오밍주의 유명한 그린리버 광상(Green River deposit)에서 발굴된 물고기 화석, 데이노니쿠스의 발톱 화석, 그리고 그녀가 가장 좋아하는 알껍질 화석을 분석했다. 데이노니쿠스는 그녀에게 '어떤 공룡들은 빨리 달릴 수 있었으며, 새의 조상이었다'라는 단서를 최초로 제공한 종(種)이다.

데이터베이스가 점점 더 확장되는 가운데, 그녀는 스펙트럼 서명이 태곳적 동물들 간의 관계를 드러낼 수 있는지 여부를 처음 테스트했다. 스펙트럼 피크(spectral peaks)의 수(number)와 높이(height)의 미세한 차이를 비교함으로써, 컴퓨터는 10여 가지 공룡(초기 새 포함)에서 추출된 알껍질 샘플을 계통수에 정확히 배치할 수 있었다. 그 결과, 뼈와 이빨의 표본들은 기존에 알려진 관계와 약 60% 부합하는 것으로 나타났다. 비만은 이상의 분석결과를 지난주 호주 브리즈번에서 열린 척추고생물학회 모임(참고 4)에서 발표했다.

더렉 브릭스(왼쪽)와 야스미나 비만이 예일대학교 피바디 박물관에서 창백한 퇴적층 속의 새까만 화석을 찾고있다. 그들의 목표는 단백질이 풍부한 표본을 찾아내는 것이다. LINDSEY LEGER/ Science

"이건 한 채석장에서 발견된 10마리 하드로사우르(hadrosaur) 간의 관계를 분석하는 것과는 달라요. 그러나 거북, 새(조상과 후손), 악어의 조각을 발견한다면, 그것들을 구별할 수는 있어요"라고 그녀는 말한다.

이번 모임에 참석한 비만과 브릭스의 동료 돌턴 마이어는 "많은 멸종한 파충류 뼈의 라만분광법 스펙트럼을 비교분석하여, 해묵은 수수께끼인 '거북이 파충류의 계통수에서 어디에 속하는지'를 알아냈다"고 발표했다. 마이어가 발표한 스텍트럼 분석에 따르면, 거북의 조상은 2억여 년 전 살았으며, 악어·뱀·도마뱀보다는 공룡(그리고 오늘날의 새)과 더욱 가깝다고 한다.

비만, 브릭스와 동료들은 라만분광법을 까마득히 오래된 유기물에 적용했다. 툴리괴물(Tully Monster)이라고도 알려진 툴리몬스트룸(Tullimonstrum)은 일리노이주 메이존크릭(Mazon Creek) 화석지층에서 발견된 불가사의한 동물이다. 그것은 3억여 년 전에 살았으며, 지난 수십 년 동안 고생물학자들을 괴롭혀왔다. 긴 부속지와 부드러운 몸을 가진 타원형 동물은 간혹 '척추동물', 벌레의 일종', '이상하게 헤엄치는 달팽이'로 불렸다. 그러나 그 동물의 이빨을 라만분광법으로 분석한 결과, 그것은 (척추동물이나 그 친척들만 만들 수 있는) 케라틴이나 콜라겐으로 구성된 것으로 밝혀졌다. 이상은 브릭스의 실험실에서 연구한 대학원생 빅토리아 맥코이(現, 위스콘신 대학교 밀워키 캠퍼스)가 이번 모임에서 발표한 내용으로, 툴리몬스트룸이 달팽이나 벌레보다는 일종의 척추동물임을 시사한다.

맥코이, 브릭스와 동료들은 이미 1,200점 이상의 툴리몬스트룸 표본의 형태를 분석하여 유사한 결론을 도출하고, 2016년 《Nature》에 발표한 바 있다(참고 5). "단백질 잔류물 분석은 화학데이터를 이용한 기존의 형태학적 결론을 확증하는 데 도움이 된다. 이것은 모호성이 덜하고 매우 흥미롭다"라고 브릭스는 말한다.

또한 비만은 이번 모임에서, "단백질 잔류물을 분석하면, 멸종한 동물의 온혈동물 여부를 알아낼 수 있다"고 말했다. 세포가 에너지를 생산하기 위해 사용하는 반응은 프리라디칼이라는 부산물을 생성하는데, 이것은 메일라드 유사반응을 촉발하여 화석의 단백질 잔류물과 유사한 폴리머를 만든다. 대사속도가 빠른 온혈동물의 세포는 냉혈동물보다 그런 반응을 더 많이 수행한다. 따라서 비만은 "만약 화석화가 메일라드 반응을 유도하는 게 맞다면, 대사적 차이로 인한 다양성을 탐지할 수 있을 것"이라고 추론했다. 그녀는 현대의 샘플을 이용한 실험에서 화석화 반응을 추적하여, "라만 스펙트럼에 나타난 두 가지 핵심적 화학결합을 이용하여 대사율을 알아낼 수 있다"는 결론을 내렸다.

그녀는 자신의 아이디어를 검증한 후, 이번 모임에서 자신의 연구결과가 화석과 살아있는 생물의 대사율에 대한 기존의 정보와 부합하는 것으로 나타났다고 보고했다. "포유동물, 프테로사우르(pterosaur), 2족공룡(예: 재빨리 움직이는 알로사우루스와 데이노니쿠스)은 온혈동물의 서명을 갖고있다. 3억 년 전 살았던 포유동물 비슷한 파충류는 온혈동물과 냉혈동물의 경계선이 있었고, 4족공룡(예: 트리케라톱스)은 대사속도가 훨씬 더 느렸던 것으로 보인다. 도마뱀과 뱀의 조상은 냉혈동물이었던 것으로 보인다"라고 그녀는 말했다.

"우리닌 지금껏 '뼈의 조직학'이나 '추론뇐 뇌 사이즈' 등의 특징을 이용하여 대사율을 침작할 수 있었을 뿐이다"라고 오코너는 말한다. "비만과 브릭이 제시한 새로운 방법은 대사율을 좀 더 직접적으로 추정하는 경로를 제시한다." 오코너에 따르면, 온혈성은 원시조류 계열에서 여러 차례 진화했으며, 그녀의 연구팀은 조만간 라만 스펙트럼을 이용하여 새 화석의 대사율을 탐지하는 프로젝트를 시작할 예정이라고 한다.

"단백질 잔류물이 기초대사율에 대한 정보를 제공할 수 있다니! 감동적이다"라고 오하이오 대학교 애선스 캠퍼스의 로렌스 위트머(고생물학)는 말한다. "우리가 지금껏 알지 못했던 관계를 알게 된다는 것은 개념적 도약이며, 뛰어난 창의력의 결과물이다."

일부 연구자들은, 독립적인 연구실에서 결과가 아직 재현되지 않았다고 경계한다. 그리고, 일부 스텍트럼이 오염—이를테면 화석에 집락을 형성한 세균—에서 비롯되었을 가능성을 배재할 수 없다고 한다. "당신은 오리지널 물질, 현대적인 물질, 둘의 혼합물 중 어느 것을 측정하고 있는지 알 수 없다"라고 스웨덴 룬드 대학교의 요한 린드그렌(고생물학)은 말한다.

비만에 따르면, 세균의 잔류물과 기타 오염물질은 독특한 라만 서명을 보유하고 있으므로 배제하는 것이 가능하다고 한다. 그러나 피바디의 선반으로 돌아가 할 일이 아직 많이 남아있다는 점은 인정한다. "우리는 방법을 최적화해야 해요. 그건 한 사람이 할 수 있는 게 아니라, 고생물학 분야 전체가 할 일이에요"라고 그녀는 말한다.

※ 참고문헌
1. https://www.jasminawiemann.com/
2. http://science.sciencemag.org/content/357/6356/1088
3. https://www.nature.com/articles/s41467-018-07013-3/
4. http://vertpaleo.org/Annual-Meeting/Annual-Meeting-Home.aspx
5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26982721

※ 출처: Science http://www.sciencemag.org/news/2019/10/warm-blooded-velociraptors-fossilized-proteins-unravel-dinosaur-mysteries

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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