배경

오존층이 형성되지 않았던 원시 지구 지표면에는 강력한 태양 자외선(Ultraviolet, UV)이 여과 없이 쏟아져 내렸다. 학계는 지구 생명체가 유전 정보를 보관하고 복제하는 분자로 디옥시리보핵산(DNA)과 리보핵산(RNA)을 선택한 배경에 이 가혹한 UV 환경이 작동했다고 설명해 온 터다. 무수히 많은 유기 분자 가운데 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T), 우라실(U) 5종의 표준 핵산 염기(canonical nucleobases)가 살아남은 원인을 독보적인 광안정성(photostability)에서 찾았던 셈.

종전 이론에 따르면 표준 염기는 UV 광자를 흡수한 직후 1조 분의 1초(피코초) 미만의 극도로 짧은 시간에 에너지를 열로 방출하는 내부 전환(internal conversion) 능력을 발휘한다. 반면 생명체에 채택되지 못한 비표준 분자들은 에너지를 오래 머금다 분해되어 사라졌다는 광선별(photoselection) 가설이 지난 수십 년간 교과서적 정설로 군림해 온 상황. 하지만 이러한 설명은 고립된 단일 분자의 극초단 레이저 분광 데이터나 이론적 양자화학 계산에 의존한 추정에 머무는 한계를 노출했다. 실제 원시 수계 환경처럼 지속적인 UV 광선이 쏟아지는 조건에서 염기와 뉴클레오사이드가 파괴되는 반응 속도를 체계적으로 실측해 비교한 데이터는 턱없이 부족했던 실정.

핵심 발견

미국 위스콘신대 매디슨 캠퍼스의 조이 토드 교수 연구팀은 표준 염기와 비표준 염기, 그리고 이들이 당과 결합한 뉴클레오사이드들을 망라해 254나노미터(nm) 파장의 지속적인 UV 조사 환경에 노출했다. 고성능 액체 크로마토그래피와 분광학적 분석 기법을 병행해 시간 경과에 따른 분자 농도 감쇠를 정밀 측정하고 광분해 반응 속도 상수를 산출하는 데 성공한 것. 연구진은 약 40억 년 전 초기 태양의 복사 에너지와 대기 투과율을 반영한 지구 지표 UV 스펙트럼 모델을 적용해 원시 자연 환경에서의 상대적 광안정성을 종합 비교 분석했다.

실측 데이터는 오랜 가설을 정면으로 반박했다. 놀랍게도 표준 염기와 뉴클레오사이드의 광분해 반응 속도는 측정 대상 전체 비표준 유사체들이 나타낸 분해 속도 분포의 거의 전 영역에 걸쳐 넓게 흩어져 있었던 것. 현대 생물학이 사용하는 염기군이 비표준 분자들보다 일관되게 높은 광안정성을 나타내지 않았음이 분명해진 순간이다. 실제로 일부 비표준 피리미딘 및 퓨린 유도체는 시토신이나 우라실 같은 표준 염기보다 광분해 속도가 훨씬 느려 광선 노출에 더 안정적인 모습을 드러냈다. 들뜬상태 수명이 짧다는 단일 물리화학적 특성이 지속적 조사 환경에서의 분자 내구성 우위로 직결되지 않음을 입증한 결정적 관찰이라는 평가.

의미와 전망

원시 생화학계가 유전 암호의 분자 레퍼토리를 구축하는 과정에서 UV에 의한 선택압은 결정적인 단독 체 역할을 수행하지 못했다는 해석이 힘을 얻는다. 생명 기원 연구는 단일 분자의 광화학적 내구성을 넘어 프리바이오틱(prebiotic) 합성 반응 경로의 수율, 수용액 내 응집 및 중합 반응 효율, 상보적 수소결합 정밀도 등 다차원적 복합 요인을 함께 고려하는 방향으로 궤도를 틀게 됐다. 원시 지표의 얕은 수웅덩이에서 발생한 고농도 유기물 층의 자가 차폐(self-shielding) 현상이나 점토 광물 흡착이 UV 파괴를 방어했을 가능성 역시 설득력을 더하는 대목.

다만 실험실의 균일한 수용액 환경과 역동적이었던 원시 지구의 퇴적 지질 환경 사이에는 일정한 차이가 남는다. 금속 이온 촉매의 존재, 건조와 습윤의 반복 순환, 수열 환경의 열역학적 변수가 광분해 속도에 미친 영향을 복합 규명하는 후속 과제가 대두되는 이유. 개별 단량체의 생존력 측정에서 나아가 올리고머와 중합체 단계에서의 자외선 저항성을 평가하는 통합적 연구 프레임워크 구축에 학계의 관심이 쏠린다.