외계생명체 연구에 영향을 끼칠 우주생물학적 발견 비소박테리아 > 외 계 인

[모노 레이크는 미국 캘리포니아 주 요세미티 국립공원 근처에 있다. 약 76만 년 전 생긴 것으로 보이며, 물이 빠져나가는 출구가 없기 때문에 염분이 축적돼 있다. 새우와 새우를 먹이로 삼는 새가 살고 있다.]


“우주 다른 곳에 존재할 수 있는 생명체로 통하는 문을 열었다.”

비소 박테리아를 발견한 NASA 우주생물학 연구소의 펠리사 울프-사이먼 박사는 연구의 의미를 이렇게 표현했다. ‘GFAJ-1’이라는 이름이 붙은 이 박테리아는 지구의 생명체를 이루는 기본 원소 6가지인 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 산소(O), 인(P), 황(S) 중 인을 비소(As)로 대체하고도 살 수 있다. 과거 사약에도 쓰였던 독성물질인 비소를 몸의 구성 성분으로 이용한다는 사실은 많은 사람들의 관심을 끌었다. 하지만 황재웅 포스텍 식물세포생물학연구실 연구원은 “비소가 독성물질인지 아닌지는 중요하지 않다”며 “기본 원소인 인을 다른 원소로 대체했다는 사실이 핵심” 이라고 설명했다. 인은 인산(PO43-)의 형태로 생명체의 몸속에서 다양한 기능을 한다. 인은 생명체의 설계도인 DNA의 기본 성분이며, 지질과 결합해 세포막을 이룬다. 또한 생명체의 주된 에너지원인 아데노신3인산(ATP)도 인을 사용한다. NASA의 주장이 사실이라면 모든 생명체가 살아가기 위해서는 인을 비롯한 6대 원소가 있어야 한다는 기본 원리가 깨진 셈이다.

그렇다면 왜 하필 비소일까. 울프-사이먼 박사는 기자 회견 당시 인 대신 비소를 사용하는 박테리아를 우연히 발견했냐는 한 기자의 질문에 “처음부터 비소가 인을 대체할수 있다고 가정하고 실험을 진행했다”고 밝혔다. 그는 이번 발표 이전에 이미 ‘우주생물학’ 지 2009년 1월 30일자에 발표한 논문에서 인 대신 비소를 쓰는 생명체가 존재할 수 있다고 주장한 바 있다. 비소는 주기율표에서 인과 같은 족에 있기 때문에 화학적 성질이 비슷하다. 원자의 반지름과 전기음성도가 비슷하며, 비산(AsO43-)도 인산과 비슷한 작용을 한다.

그러나 비소는 인보다 주기율표에서 한 주기 아래에 있다. 그러면 전자궤도가 많아지므로 크기가 커지고 외곽에 있는 전자가 떨어져 나오기 쉽다. 따라서 다른 원소와 반응을 쉽게 한다. 또한 비소화합물은 물을 만나면 분해되기 쉽다. 인과 비슷하면서도 다른 비소의 성질이 비소를 독으로 만든다. 몸이 비소를 인으로 착각해 받아들이면 몸 안에서 불안정한 분자를 만들거나 잘못된 화학반응을 일으키기 때문이다. 이성근 충북대 미생물학과 교수는 “이 주장이 사실이라면 지금까지 생명체의 범위를 너무 좁게 보고 있었다는 사실을 깨우쳐 준 대단한 발견”이라고 평가했다.

비소의 불안정성 해결하는 메커니즘 필요해

울프-사이먼 박사팀은 비소를 이용하는 생명체를 찾기 위해 미국 캘리포니아 주에 있는 ‘모노 레이크(호수)’에 주목했다. 모노 레이크의 물은 염분이 많은 알칼리성이며, 비소가 많이 들어 있다. 연구팀은 이곳에서 채취한 진흙을 인을 없애고 비소를 넣은 배양액에 넣고 그 속에 사는 박테리아를 관찰했다. 그 결과 한 박테리아(GFAJ-1)가 다른 박테리아와 달리 잘 자란다는 사실을 발견했다. 연구팀은 이 박테리아를 분리한 뒤 서로 다른 배양액에 넣고 성장을 관찰했다.

예상대로 이 박테리아는 인과 비소가 없는 배양액에서는 살지 못했고, 비소가 없고 인은 풍부한 배양액에서는 잘자랐다. 연구팀의 흥미를 끈 건 인이 없고 비소가 풍부한 배양액에서도 GFAJ-1이 증식했다는 결과였다. 이렇게 키운 박테리아에 들어 있는 인의 양은 정상적인 수준보다 적었다. 울프 사이먼 박사는 “이 정도 양의 인으로는 박테리아가 살 수 없다”며 “이는 박테리아가 비소를 인처럼 이용한다는 사실을 암시한다”고 주장했다. 이어서 연구팀은 비소의 동위원소를 이용해 비소가 박테리아 내부에서 어떻게 퍼져 있는지 조사했다. 그 결과 비소는 박테리아의 ATP 같은 대사물질과 단백질, 지질은 물론 DNA와 RNA에도 있었다. 이를 바탕으로 연구팀은 DNA 같은 기본적인 생체 물질에 들어 있는 인조차도 비소로 바뀌었다고 주장했다.

인은 DNA의 등뼈 역할을 한다. 인 대신 비소가 이 위치에 들어가면 연결고리가 약해져 구조가 금방 파괴된다. 이같은 비소의 불안정성은 비소 박테리아의 성장에 영향을 끼친 것으로 보인다. 비소를 이용할 때는 성장속도가 인을 이용할 때의 60% 정도였다. 이영숙 포스텍 생명공학과 교수는 “박테리아가 비소를 인처럼 효율적으로 이용할 수 없기 때문에 성장속도가 늦었을 것”이라고 설명했다. 이성근 교수는 “비소의 불안정성을 고려하면 성장속도가 10%도 안 돼야 하는데, 60%라는 건 크게 영향을 받지 않았다는 뜻”이라며 “그러기 위해서는 박테리아에 비소화합물을 보호하는 메커니즘이 있어야 한다”고 말했다.

또한 비소 박테리아는 인을 이용했을 때보다 부피가 1.5배 가량 컸다. 전자현미경으로 관찰해 보니 액포와 같은 부위가 생기면서 부피가 늘어났다. 논문에서는 이 부위가 소수성이 있는 물질로 이뤄져 있을 수 있다고 추정했다. 이 물질을 이용해 물에 쉽게 분해되는 비소화합물을 보호함으로써 불안정한 구조를 보호한다는 것이다.