RNAWorld

원시지구의 유기화합물이 생명으로 진화하기 위해서는 최초의 자기복제 시스템을 구축할 필요가 있었다. 현재 생명체의 복제는 DNA라는 이중나선구조를 지닌 핵산에 의해 수행되고 있다. DNA로부터 Transcription이라는 과정을 거쳐 RNA가 만들어지고 RNA로부터 Translation이라는 과정을 거쳐 단백질(protein)이 합성된다. 여기에서 한가지 패러독스에 직면하게 된다. DNA로부터 단백질에 이르는 기나긴 여정들은 모두 Enzyme들에 의해 효율적으로 수행되는데 이 Enzyme들도 단백질이라는 점이다. 즉 최초의 복제자가 DNA였다면 그 복제시스템은 실패했을 것이 틀림없다. 이러한 모순을 설명하기 위해 등장한 이론이 RNAWorld가설이다. 이 이론은 RNA가 Enzyme의 특징을 지니고 있으며 (Ribozyme) 특정한 상황에서 스스로 복제가 가능하다는 것에 기반을 두고 있다.
Self-replication이 가능한 RNAWorld에서 RNP world (RNA+Protein)로 그리고 DNA world로 진화했다는 것이 이론의 핵심이다.

{{|RNA는 DNA와 단백질을 잇는 화합물이다. 이것은 주로 DNA속의 정보를 단백질로 해독하는 과정에 쓰인다. 그러나 이것이 작동하는 방법을 보면, 이것이 DNA와 단백질의 선구물질임을 의심하지 않게 된다. RNA가 그리스라면 DNA는 로마다.

RNA 역시 언어였다. RNA는 단백질이나 DNA보다 먼저 생겼다고 볼 만한 5개의 작은 실마리를 간직하고 있다. 오늘날에도 DNA의 구성물질은 RNA의 구성물질을 변형하여 만들어지며, 직접적으로 만들어지는 것은 없다. 즉, T라는 DNA 염기는 U라는 RNA의 염기로부터 만들어진다. 현존하는 많은 단백질은 RNA라는 작은 분자가 있어야만 작동할 수 있다. 더욱이 RNA는 DNA나 단백질과는 달리 다른 것의 도움 없이도 스스로 복제할 수 있다. 적절한 구성물질을 섞어 주기만 하면 RNA는 이것을 연결하여 메시지를 만들어 낸다. 세포 속을 들여다보면, RNA가 대부분의 근본적이고 기초적인 기능을 수행하는 데 필요하다는 것을 알 수 있다. 유전자로부터 만들어진, RNA로 된 메시지를 해독하는 것은 RNA를 가지는 효소이다. 메시지를 해독하는 것은 RNA를 가지는 리보솜이라는 기구이며, 유전자의 정보를 해독한 후 필요한 아미노산을 가지고 오는 것도 작은 RNA분자이다. 그러나 무엇보다도 RNA는 DNA와는 달리 자기 자신뿐만 아니라 다른 분자를 자르고 붙이는 촉매 작용을 한다. 자기 자신을 자르고 붙여서 독자적인 RNA고리를 만들기도 하고 길게 할 수도 있다. 때로는 자기 자신에게 작용하여 긴 내용의 일부를 잘라내고 잘라진 끝을 다시 이을 수도 있다. 1980년대에 이르러 Thomas Cech와 Sidney Altman에 의해 밝혀진 RNA의 많은 특징은 생명의 기원에 대한 우리의 생각을 바꾸어 놓았다. 아마도 첫 유전자 'ur-gene'는 자기 주위의 화합물을 사용하여 복제할 수 있는 단어로서 복제자-촉매자의 복합체였을 것이다. RNA였을수도 있다. 생명의 기원을 재현하듯이, 시험관 내에서 촉매 작용을 하는 능력을 가진 RNA를 지속적으로 선별함으로써, RNA를 진화시킬 수도 있다. 더욱 놀라운 사실은 임의로 만들어진 이러한 RNA의 내용이 리보솜에 있는 1번 염색체 위의 5S 유전자와 매우 흡사하다는 것이다. 공룡이 생기기 이전 물고기, 벌레, 식물, 곰팡이, 미생물 등이 생기기도 그 이전에 RNAWorld가 있었다. 이렇게 RNA를 가진 리보-생물체는 RNA가 단 몇 시간안에 분해되는 불안정한 물질이었기 때문에 실수를 거듭한 끝에 RNA의 약간 다른 형태인 DNA를 만들게 되었다. DNA에 유전정보를 저장하고 단백질을 기구로 사용하며 RNA를 그 둘 사이를 연결하는 도구로 사용하는 좀더 복잡한 생명체가 등장하게 되었다. 그 생명체의 이름은 Luca(the Last Universal Common Ancestor)이다.|}}

ReverseTranslation Theory (The RNA/protein symmetry hypothesis): 원시지구에서 과연 RNA만으로 생명이 출현할 수 있었겠느냐는 의문에 기반하여 Small peptide(작은 단백질조각, 혹은 아미노산들의 작은 집합체) 로부터 RNA가 만들어 질 수 있었고, 이러한 ReverseTranslation과 RNA의 자기복제 기능의 창발성이 생명의 탄생에 기여했다는 이론.
{{|The RNA/protein symmetry hypothesis: experimental support for reverse translation of primitive proteins 'Nashimoto, M '

Department of Chemistry and Biochemistry, Brigham Young University, Provo, UT 84602, USA; email nashimo@nfri.affrc.go.jp

Abstract

Although the "RNA-world" theory, or the RNA-first theory is renowned for a promising theory of biogenesis, it is also possible that both RNAs and proteins have coevolved forming a stable metabolic complex from the very beginning. I investigated this possibility assuming that the genetic information flowed symmetrically in the era of the origin of life, i.e. the primitive translation machinery worked in both directions (from RNA to protein and from protein to RNA). According to this RNA/protein symmetry theory, the genetic information would have come from existing cellular proteins via reverse translation. This process would have been completed in a short period of time without searching an enormous RNA sequence space. Furthermore, reverse translation would have ensured biological continuity; proteins that were essential for cellular metabolism would have been utilized in the same way as before the protein sequence information would have been transferred into the RNA sequences. I also propose a possible mechanism for the process of reverse translation. The reverse translation would proceed in the 3' to 5' direction using a set of at least 20 reverse transfer RNAs (rtRNAs) that can recognize their specific amino acid residue and carry their corresponding codon. A source of genetic information would be a primary sequence of a protein molecule. Several basic steps of reverse translation were demonstrated using rtRNA(Arg). Copyright 2001 Academic Press. Journal Article; In English; England
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자세한 내용은 PubMed에서 검색해보시면 알 수 있습니다.

Proteinoids라는 다양한 catalytic activity를 가진 물질들이 아미노산에 의해 쉽게 합성될 수 있다는 관찰에 기반하여 제안된 이론. 이 이론에 따르면 Metabolizer로 기능하기 위해서는 최소한 10 여종류의 building block이 필요하며, RNA와DNA같은 Nucleotide는 4가지종류의 Building block을 가지기 때문에 생명의 탄생을 위한 복잡성에 도달하기 어렵다는 것이다. Protein-first Theory에서는 nucleotide를 이러한 protien들의 촉매작용에 의해 우연히 탄생된 산물로 보고 훗날 유전물질이 되었다고 설명한다.

Q1위의 protein-first theory에서, 최소한 10여종류의 building block이 필요하다고 했는데...왜 그렇죠? 어떤 기준에서 최소 10여종류가 나왔는지요.Metabolizer로 기능하기 위해 필요한 것을 찾아 봐야겠네요...--벼리

A1 논문을 보내드리겠습니다. --김우재

Q2 진화에서 정말 우연히 발생 한것이 진화에 큰 영향을 미친 것이 많을것 같은데요,,,위에 theory에서도 DNA가 우연히 탄생하여 오늘날의 엄청난 물질이 되었다는 이론이군요....진화에서는 우연히라는 단어자체가 꼭 맞는 표현 같지만,,,정말 위험한 단어인것 같아요...우리가 모르는(아직 밝혀지지 않은) 필연일 수도 있을것 같은데요..--벼리

A2 : 이에 관해서는 최근 급속히 떠오르고 있는 Complexity 분야의 책을 추천해 드리고 싶습니다. 우연에 의한 자연선택과 카오스의 가장자리에서 자생적으로 조직된 질서 그리고 그로 인한 창발성에 대해 다루고 있습니다. 그러나 아직까지 그 증거가 미약합니다. 하지만 충분히 가능성이 있는 이론이라고 생각합니다. --김우재

Contributors : 벼리, 김우재

생명과학분류