[일반생물학실험]Coacervate(코아세르베이트) 관찰

실험 목적

pH를 조절하여 생성된 코아세르베이트를 관찰해 보고, 이런 코아세르베이트가 생성될 수 있는 최적 pH를 찾아내고자 한다.

실험 이론 및 원리

1. 코아세르베이트(Coacervate)

코아세르베이트는 단백질, 탄수화물 등의 거대분자가 특정한 pH나 이온농도 등의 환경 조건이 적합한 경우에 전하가 변하여 형성되는 타원체로서 액적을 형성한다. 따라서 적정 조건이 이루어지지 않으면 고분자들간의 전하가 사라지거나 서로 반발하여 코아세르베이트가 형성되지 않는다. 코아세르베이트로부터 생성된 각각의 액적은 이들 거대분자가 군집을 이룬 것으로 막과 같은 껍질을 이룸으로써 외부 환경과 구획을 이룬다.

코아세르베이트는 외부환경에서 적절한 기질을 흡수하여 크기가 커지며, 일정 상태 이상으로 그 크기가 성장하면 분열하고 다시 성장하는 방식으로 개체 수가 늘게 된다. 어떤 경우에는 서로 합쳐지기도 한다. 때에 따라서는 물질의 선택적 투과가 가능하기도 하는데, 이것은 내부 물질의 농도가 외부환경과 달라질 수 있는 가능성을 만든다. 이는 생명현상을 위한 화학반응이 일어나는 데 근간이 된다.

 

2. 코아세르베이트 형성 이외의 생명체의 기원

코아세르베이트의 생성은 생물체가 지구로부터 기원했는데, 이는 화학 반응으로 이루어졌다는 abiogenesis의 한 과정이다. Abiogenesis에는 코아세르베이트가 형성되기 이전에, 초기에 무기물이 유기물로 전환되는 과정이 나타나 있다. 이 부분에서는abiogenesis를 믿는 사람들끼리 동의하고 있고, 밀러의 실험으로도 원시 지구의 바다라고 추측되는 용액을 구현해 내서 자연 현상만으로도 아미노산이 만들 수 있음을 증명하였다. 이러한 유기물이 생성되고, 고분자가 생성되면서, 가설은 크게2가지로 갈라지는데, 하나는 ‘metabolism-first’로 코아세르베이트가 생성되면서 안팎의 환경차이를 가져올 수 있고, 이로써 신진대사가 일어나 생물체로 발전할 수 있는 근간이 된다는 것이 요지다. 이는 우리가 하는 실험과 동일한 맥락에 있다. 다른 하나는 ‘gene-first’인데, 이는 코아세르베이트의 형성과 전체 abiogenesis 흐름에 있어서 동일한 위상을 갖고 있다고 판단하여 이 부분에 대해 조사를 하려 한다. ‘Gene-first’는 제목에서 나타나듯이gene이 세포막 등 세포의 다른 기관들에 앞서 생성되었다는 것이 ‘metabolism-first’와 가장 큰 차이를 보인다. 

여기서는 핵산이 다양한 화학반응에 의해서 무기물로부터 생성되었다 가정하고, 이 중 RNA가 DNA에 앞서 먼저 생성되었다는 RNA world hypothesis를 근거로 많은 설들이 진행된다. 이 RNA는 자기 복제를 하고, 화학 반응을 유발할 수 있는 유전자 정보를 보유할 수 있다는 점에서 이후의 생명체의 출현에 근간이 될 수 있다고 한다. 이러한 생각은 Jack Szostak가 실험을 통해 가능하다는 것을 보였다.

본 실험에서 Jack은 원시 지구의 바다를 재현해 인위적으로 짧은 RNA를 만들어 내는데 성공했다. 이러한 짧은 RNA들은 서로 배열을 이루어서 무작위로 긴 RNA를 만들어 냈고, 이 중 자기 복제가 가능한 것이 나타나면, 그 수가 급증하였다. 본 실험은 이 후에 이 RNA에 다른 RNA가 붙어서 다른 기능도 할 수 있는 새로운 RNA가 나타나게 될 것이고 이 것이 진행되면 생명체의 출현도 가능할 수 있다는 점을 시사하였다. 

이와는 약간 다르게 RNA의 생성을 설명하는 설도 있다. 이 설에서는 무기물로부터 핵산이 생성되기는 하였는데, 이 때 생긴 핵산이 PNA, TNA, GNA이었다고 설명한다. 이 세가지 종류의 핵산이 여러 가지 과정을 거쳐 다시 반응하면 수용액에서 RNA가 생성이 되고, 이 RNA는 서로 결합해 나가다가 자기복제 능력을 가진 RNA가 나타나게 되면, 생화학적 진화가 시작된다. 그리고 세포막은 이후에 단백질과 유사한 분자인protenoids로부터 자발적으로 만들어진다고 설명한다. 이러한 Gene-first에도 단점이 있는데, 시토신(cytosine)과 우라실(uracil)로부터 핵산이 쉽게 이루어지지 않고, 자연적으로 발생했다고 밖에 아직까지 설명하지 못한다는 것이다.

 

생명체가 지구 내에서만 기원했다고 하는 설만 있는 것은 아니다. 즉, 지구 밖으로부터 생명체가 기원했다는 설도 많다. 우주에는, 특히 태양계 밖에 volatile이 solar heating에 의해서 끓어 오르지 않는 곳에서는, 유기물이 많은 것이 그 이유이다. 이러한 유기물들은 탄소를 포함한 무기물들이 자외선을 받아 화학반응을 일으켜서 일어난다. 이와 같은 맥락으로 여러 가지 설이 존재하는데, 그 중 한가지가 이러한 고분자들이 풍부한 반응물과 자외선을 통한 에너지를 통해 복잡한 거대 고분자들을 만들었다는 설이다. 이 설에서는 이렇게 생성된 고분자들이 혜성과 함께 대량으로 지구로 유입되어 생명체가 나타날 수 있는 근간이 되었다고 설명한다.

 

또 다른 설로는, 화성으로부터 생명체가 날아왔다는 설이다. 이 설에 따르면, 화성은 지구보다 작아서 일찍 식어버렸고, 따라서 유기물이 생성될 조건이 지구보다 빨랐다. 그래서 초기 생명체가 화성에서 나타나기 시작했는데, 운석이 화성에 충돌하면서, 이 중 일부가 파편으로 화성에서 떨어져 나가 지구에 안착해 살기 시작했다. 이 때, 지구는 냉각이 상당히 진행된 상태라서 생명 반응이 일어날 수 있었다. 따라서 지구에는 생명체가 번창했고, 반대로 화성에는 계속 냉각이 진행되어 생명체가 살기에는 적절하지 못한 환경이 생성되어 생명체가 발전하지 못했다고 한다.

 

이 설은 지구가 적당 수준으로 냉각된 후에 너무 금방 생명체가 존재했다는 사실을 설명하기 위해 나타났다. 위 두 가지를 포함해서 지구 밖에서 생명체의 기원을 찾는 설들은 생명체가 어떻게 생겨났는지 설명하지 못하고, 이러한 설들을 증명할 수 있는 근거들도 거의 전무하다. 하지만, 이러한 설명들을 뒷받침하는 몇 가지의 근거는 존재한다. 먼저, 남극에 있는 화성 운석에서 미생물들이 발견되었다. 이는 생명체가 외계에서 올 수 있음을 시사하고, 또한 화성 관련된 설을 지지하는 근거이기도 하다. 또한, 방사능을 에너지의 원천으로 하는 박테리아 생태계도 발견되었는데, 이 또한 우주의 생명 기원을 뒷받침 할 수 있는 근거이다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 1% gelatin 용액, 1% gum arabic 용액

① gelatin : 높은 분자량을 갖는 수용성 단백질의 혼합물.

② gum arabic : carbohydrate로서 galactopyranose를 주성분으로 하는 복잡한 구조를 지닌다.

2) 0.1% congo red 염색액(산성 친화성), 0.1N HCl 용액

3) pipette, 50㎖ tube, 현미경, slide glass, cover glass, pH test paper

실험 방법

1. 실험 과정

1) 1% gelatin 용액 5㎖과 1% gum arabic 용액 3㎖을 pipette으로 tube에 넣는다.

2) 이 혼합액을 pH test paper 위에 한 방울 떨어뜨려pH를 측정한다.

3) 혼합액 용액 한 방울(20㎕ 정도)을 slide glass 위에 놓고 동량의 0.1% congo red 염색액을 떨어뜨린 후 cover glass로 덮어 현미경으로 관찰한다.

4) 혼합액이 뿌옇게 될 때까지 0.1N HCl을 한 방울씩 조심스럽게 떨어뜨리고 살짝 흔들어 주는 과정을 반복한다.

5) 용액이 뿌옇게 되면 용액의 pH를 측정한다.

6) 이때의 용액 20㎕를 slide glass 위에 놓고 염색액 동량을 떨어뜨려서 코아세르베이트 를 찾아 관찰한다.

7) 관찰이 다 끝나면 용액이 다시 투명해질 때까지0.1N HCl 용액을 한 방울씩 떨어뜨리 고 이때의 pH를 측정한다.

8) 역시 slide glass 위에 용액 한 방울을 떨어뜨려 현미경으로 관찰한다.

실험 결과

1. 결과 분석

	HCl 넣기 전	용액이 흐려질 때	용액이 투명해질 때
넣어준 HCl의 양(㎕)	0	100	750
pH	6.3	5.2	3.4

표1. 촬영 시 각 용액의 상태

 

사진1 은 원 용액 그대로를 슬라이드 글라스에 옮겨 촬영한 사진이다. 이 때의 용액은 겉보기에는 아주 맑은 편은 아니었지만, 앞으로 진행되는 실험에 비해서는 상당히 투명하다고 할 수 있었다. 이 사진에서는 일단 고분자 군집체가 발견되지 않았다. 그리고 하얀 원 모양으로 나타난 기포 때문에 존재하고 있는 고분자들은 식별하기 힘들었다.

 

사진1. HCl 넣기 전(x400)

사진2. HCl 100㎕ 첨가 후(x100)

 

사진 2는 HCl을 5방울 정도 첨가해 용액이 탁해지게 만든 후 관찰한 사진이다. 이 사진에서는 전에 보이지 않던 거대분자 군집체가 중앙에서 약간 왼쪽 부분에서 발견되었다. 또한, 좌측 상단과 좌측 하단부분을 보면, 거대분자 군집체가 이 용액에서 여러 개 존재하고 있다는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 거대분자 군집체를 컴퓨터 등을 이용해 확대해서 자세히 보면, 고분자들이 세포막과 같은 껍질을 만들고, 이러한 세포 형태의 것들의 집합이 사진에서 보는 바와 같이 거대분자 군집체를 이루는 것을 볼 수 있었다.

사진3. HCl 750㎕ 첨가 후(x100)

 

사진3은 용액이 다시 투명해졌을 때 찍은 것으로 상당히 투명했다. 현미경으로 관찰해 보면, 거대 분자 군집체들은 완전히 사라진 모습을 볼 수 있다. 또한, 고분자들이 군집체까지는 아니지만, 조금씩 모여 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 우측 하단에서 두드러지게 발견된다. 이 고분자들의 모임은 자세히 보면, 제각각의 형태를 가지고 있어 기포가 아님을 알 수 있었다.

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 코아세르베이트가 형성된 모습(사진2)을 관찰할 수 있었으므로, 어느 정도 성공하였다고 볼 수 있다. 이런 2번째 관찰에서 2가지를 알 수 있었다. 먼저, 코아세르베이트는 특정한 pH에서 생성된다는 것을 경험적으로 알 수 있었다. 그리고 코아세르베이트가 생성되기 위한 최적 조건의 pH는 5.2 부근이라는 것도 실험을 통해 알 수 있었다. 이 pH는 약 산성이므로, 적당한 양의 수소 이온이 고분자들의 결합을 도와준다고 볼 수 있다. 

배경 지식에서 고분자들의 결합은 가지고 있는 전하에 의해 이루어진다는 것으로 미루어 보아, 용액 속에 존재하는 수소 이온이 고분자들의 전하에 영향을 끼친다고 볼 수 있다. 각 종류의 고분자들이 코아세르베이트 생성 시 어떠한 전하를 띠는 지 알 수 없지만, 두 종류의 고분자 사이에 인력이 작용하기 위해서는 서로 반대의 전하를 띠고 있어야 한다고 추측할 수 있다.

 

다음으로, 사진에서의 거대 분자 군집체는 여러 개의 세포가 모여있는 꼴로 이루어져 있다는 사실로부터 우리가 생각하는 세포와 같은 개념의 타원체는 그 크기가 매우 작다는 것을 알 수 있었다. 이에 더하여, 배경지식에서 또한 적정 pH를 벗어나면, 전하가 사라지거나 반발하기 때문이라고 나타나 있다. 3번째 사진 결과에서 약간의 고분자가 뭉쳐있는 것을 보면, pH가 낮은 조건에서 코아세르베이트가 사라진 이유가 고분자들끼리 반발력이 작용하는 것은 아니라고 볼 수 있다. 그러면, 이 때, 거대 분자 군집체가 사라진 것은 고분자들을 연결시켜준 정전기적 인력이 사라졌기 때문이라는 것을 알 수 있다.

 

본 실험은 성공적이었는데도 불구하고, 몇 가지 아쉬운 점을 남겼다. 먼저, 실험자가 표본 만지는 것에 미숙하여 첫 번째 관찰에서 상당히 많은 양의 기포가 커버 글라스를 덮는 과정에서 들어갔다. 이 때문에 사진을 관찰하고 상황을 분석하는 데 있어서 어려움을 주었다. 그리고 본 실험에서는 용액의 pH를 pH test paper을 이용해서 측정하였는데, 이는 색깔로 분별하는 것이어서 인간적인 한계로 인해pH 측정에 주관성이 들어갈 수 밖에 들어갈 수 밖에 없었다. 그래서 정확한 pH을 측정하지 못하였고, 측정한 코아세르베이트의 형성되는 적정 pH는 신뢰도가 떨어지게 되었다. 이러한 문제는 pH 미터 등을 이용한 정밀한 기기를 도입하면 해결될 것이라 생각한다.

참고 문헌

1. Jane B.Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson, Campbell Biology edition, PEARSON, 2011, pp.553~555