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- 시에르핀스키 삼각형이라고 불리는 중첩된 삼각형의 기하학적 패턴으로 자발적으로 조립
- 단순히 진화하기가 매우 쉽기 때문에 아무 이유 없이 발생한 복잡해 보이는 생물학적 구조
- 자연에 숨겨진 단백질과 기타 분자의 훨씬 더 놀라운 배열이 있을 수 있음을 시사

최초의 프랙탈 분자 발견
미생물 효소는 규칙적인 삼각형 패턴을 형성한다.

기하학적 희귀성:
구조생물학자들은 자연에서 처음으로 규칙적인 분자 프랙탈을 발견했다. 시아노박테리아가 생산한 효소는 소위 시에르핀스키 삼각형(Sierpinski Triangle)이라고 불리는 중첩된 삼각형의 기하학적 패턴으로 자발적으로 조립된다. 연구팀이 네이처(Nature)에 보고한 바와 같이, 이는 자기유사 구조를 지닌 최초의 자연적으로 형성된 분자다. 이 특별한 구조는 어떻게 생겨났으며, 분자로 이루어진 다른 프랙탈이 있을 수 있을까? 

▲ 미생물 효소는 최초로 알려진 분자 프랙탈입니다. 소위 시에르핀스키 삼각형(Sierpinski Triangle)을 형성한다. © 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소/Hochberg

물리학, 음악, 심지어 수소 연소에서도 개별 구성 요소가 전체 구조와 거의 동일한 모양을 갖는 패턴이 나타나는 경우가 있다. 이러한 프랙탈은 큰 것부터 가장 작은 것까지 반복된다. 그러나 이러한 거의 동일한 구성은 본질적으로 드물다. 이에 대한 예로는 눈송이, 고사리 잎, 로마네스코 콜리플라워 머리뿐만 아니라 우리 마음의 벽도 있다.

분자는 또한 현미경으로 볼 때 때때로 일정한 규칙성을 나타낸다. 그들은 또한 멋진 모양과 복잡한 기하학적 구조로 조립될 수 있다. 그러나 멀리서 확대해도 똑같이 보이는 프랙탈 분자 구조는 이전에는 자연계에서 알려지지 않았다.

▲ 양치식물과 로마네스코 콜리플라워는 규칙적인 도형의 예다. 이전에는 분자 수준에서 규칙적인 프랙탈이 알려져 있지 않았다. 이제 연구자들은 프랙탈 단백질을 발견했다. © 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소/Hochberg

프랙탈 기회 찾기

마브룩에 있는 육상 미생물학을 위한 막스 플랑크 연구소(MPI)의 프란치스카 센드커(Franziska Sendker)가 이끄는 연구팀은 우연히 처음으로 그러한 분자 프랙탈을 발견했다. 구조생물학자들은 시아노박테리움 시네코코커스 엘론가투(Synechococcus elongatu)의 미생물 효소인 구연산염 합성효소가 자발적으로 규칙적인 프랙탈 패턴으로 조립되는 것을 발견했다. 이것은 소위 시에르핀스키 삼각형(Sierpiński Triangle)으로, 팀이 보고한 대로 각 삼각형은 더 작은 삼각형으로 구성되어 무한히 반복되는 삼각형 패턴이다.

센드커(Sendker)는 "처음으로 전자현미경으로 이 구조를 봤을 때 믿을 수 없었다"며 “단백질이 이렇게 아름다운 삼각형을 형성한다. 프랙탈이 커짐에 따라 중앙에 점점 더 큰 삼각형 간격이 보인다. 이는 우리가 이전에 본 어떤 단백질 배열과도 완전히 다르다”고 말했다. 박테리아는 이를 위해 특별한 조건조차 필요하지 않다. 실온과 중성 pH 값의 수성 환경이면 충분하다.

비대칭 상호작용으로 프랙탈 형성 가능

도대체 자연계에서 이러한 예외는 어떻게 발생했는가? 왜 이 효소만이 프랙탈 기하학을 형성할까? Sendker와 그녀의 동료들은 저온전자현미경을 사용해 이를 더 자세히 조사했다. 공동 저자인 Marburg 대학의 얀 슐러(Jan Schuller)는 쉬운 일이 아니라고 말했다. “우리의 이미지 분석 기술은 더 작은 삼각형이 더 큰 삼각형의 하위 구조일 수 있다는 사실로 인해 혼란스러워졌다. 알고리즘은 처음에는 삼각형이 속한 더 큰 구조를 보기보다는 이러한 작은 삼각형에 초점을 맞추었다”고 그는 설명했다.

평가 결과는 다음과 같다. 이 단백질은 자연의 일반적인 대칭 규칙을 위반하여 프랙탈로 조립된다. 대칭적으로 배열되는 대신 개별 단백질 사슬은 서로 다른 위치에서 약간 다른 상호 작용을 시작한다. 결과적으로 6개의 분자로 구성된 삼각형 빌딩 블록은 각각 18개의 분자로 구성된 삼각형의 속이 빈 구조로 배열되어 더 큰 구조를 형성할 수 있다. 이러한 방식으로 Sendker와 동료들이 발견한 대로 일반 분자 격자 대신 큰 내부 공동을 가진 시에르핀스키 삼각형이 생성된다.

분자 프랙탈은 어디에 사용되나?

특이한 효소가 박테리아에 생물학적 이점을 갖는지를 알아내기 위해 연구팀은 박테리아 게놈의 해당 유전자를 조작하여 프랙탈이 더 형성되지 않도록 했다. 그러나 이는 미생물의 성장이나 대사에 아무런 영향을 미치지 않는 것으로 밝혀졌다. Schuller는 “이 효소가 발생하는 시아노박테리아는 구연산염 합성효소가 프랙탈로 조립될 수 있는지 여부에 크게 신경을 쓰지 않는 것 같다”고 말했다.

"이것이 우리로 하여금 이것이 단지 무해한 진화의 우연일지도 모른다는 질문을 하게 만들었다"고 육상 미생물학 MPI의 수석 저자인 Georg Hochberg는 말했다. 이 이론을 테스트하기 위해 팀은 서로 다른 진화 연령을 가진 여러 관련 시아노박테리아의 구연산염 합성 효소를 비교했다.

진화의 우연

프랙탈 배열에는 효소 유전자의 돌연변이가 거의 필요하지 않다는 것이 밝혀졌다. 연구진은 견고한 삼각형을 만드는 데 필요한 단백질 내 세 가지 아미노산을 확인했다. 생물학자들이 보고한 바와 같이, 진화 과정에서 필요한 유전적 환경은 실제 상대적으로 갑작스럽게 나타났다. 그러나 대부분의 시아노박테리아 계통에서는 필요한 돌연변이가 이후에 사라졌다. 유전자 돌연변이와 그에 따른 구연산염 합성효소의 프랙탈 패턴은 단일 종인 Synechococcus elongatu에서만 보존됐다.

"이 경우 우리는 실제로 진화론적 우연의 모든 특징을 발견했다. 즉 단순히 진화하기가 매우 쉽기 때문에 아무 이유 없이 발생한 복잡해 보이는 생물학적 구조다"고 Hochberg는 말했다. 분자 프랙탈처럼 복잡해 보이는 것이 진화 과정에서 그렇게 쉽게 나타날 수 있다는 사실은 생물학자들에게 자연에 숨겨진 단백질과 기타 분자의 훨씬 더 놀라운 배열이 있을 수 있음을 시사한다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07287-2)
출처: 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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