배경

왜 DNA가 우라실 대신 화학적으로 유사하지만 자외선에 더 취약한 티민을 유전 정보 저장 염기로 선택했는지는 생물학계의 오랜 질문으로 꼽힌다. 초기 지구는 지금보다 강력한 자외선이 지표면에 직접 쏟아지는 극도로 가혹한 환경이었던 탓이다. 당시 생명체가 유전 정보를 안정적으로 보존하고 다음 세대로 전달하려면 물리화학적 자극으로부터 스스로를 방어하는 능력이 필수적일 수밖에 없었다. 그럼에도 자외선 흡수 시 더 쉽게 구조가 변하는 티민을 핵심 구성 성분으로 채택한 배경은 오랜 미스터리로 꼽힌다. 기존 연구들은 복제 오류를 줄이는 유전적 이점에만 주목했을 뿐, 강한 자외선 노출 상황에서 발생하는 광화학적 반응성의 모순을 명쾌하게 해명하진 못했다.

핵심 발견

미국 텍사스 A&M 대학교 피터 렌체피스 교수 연구팀은 정상상태 흡수 분광법(Steady-state absorption spectroscopy)과 형광 분광법, 라만 분광법을 유기적으로 병용하여 티민과 우라실의 자외선 반응 메커니즘을 분자 수준에서 정밀하게 추적했다. 분석 결과 티민은 우라실에 비해 태양광 자외선을 넓은 파장 대역에서 강하게 흡수하는 물리적 특성을 지닌 것으로 드러났다. 자외선 에너지를 받았을 때 분자 구조가 변형되는 광반응 속도 또한 티민이 우라실보다 훨씬 빠르다는 사실을 확인했다. 단순히 손상 빈도라는 지표만 기준으로 삼는다면, 티민은 유전 정보 안정성을 저해하는 부적합한 물질로 분류해야 마땅한 셈이다.

그러나 연구팀은 분자가 손상되는 빈도를 넘어 자외선 에너지를 흡수했을 때 최종 생성되는 화합물의 유형과 구조적 특성을 규명하여 해답을 찾아냈다. 정밀 광학 분석에 따르면 우라실은 자외선을 흡수할 때 분자 구조가 꺾이면서 원래 상태로 복구하기가 극도로 어려운 비가역적 결합인 (6-4) 광생성물((6-4) photoproducts)을 높은 비율로 형성한다. 이와 달리 티민은 자외선 피해를 입었을 때 주로 시클로부탄 피리미딘 이량체(Cyclobutane Pyrimidine Dimers, CPD)를 형성하는 화학적 경로로 반응을 유도하는 양상을 보였다. CPD는 두 염기 사이의 이중 결합이 깨지며 링 구조를 만드는 화합물이지만, 분자 내부의 결합 에너지가 비교적 불안정하여 주변 환경이나 미세한 열에너지 변화로도 쉽게 원래 상태로 되돌아가는 가역적 복원 특성을 지닌다. 티민은 자외선에 의해 자주 변형될지언정 자가 복구가 용이한 형태로 손상 부위를 유도해 유전 정보의 영구적 유실을 효과적으로 방어했다.

의미와 전망

이번 연구는 초기 생명체가 자외선 흡수를 무조건 회피하기보다, 사후 복구의 용이성을 극대화하는 방향으로 DNA 염기를 진화시켰음을 보여준다. 자외선 에너지를 받아도 가역적인 상처로 국소화하는 티민의 독특한 광화학 반응 덕분에 초기 지구의 유전 물질은 원시 태양의 가혹한 우주 방사선 속에서도 안정적으로 유전 정보의 원형을 보존할 수 있었다. 화학적 활성이 낮아 안전해 보이는 물질보다 비록 손상은 잦을지라도 원상 복구가 수월한 물질이 장기적인 생존에 훨씬 유리하다는 진화적 선택압이 작용한 결과로 풀이한다. 다만 이번 실험은 제어된 물리적 장치 안에서 고립된 용액 상태의 단일 뉴클레오타이드를 대상으로 진행했기에, 실제 입체적이고 역동적인 이중나선 DNA 내부에서 일어나는 염기 간의 물리화학적 상호작용을 완벽하게 재현하진 못했다. 향후 세포 내부의 고차원적 크로마틴 구조나 이중나선 입체 구조가 이러한 광화학적 가역 경로의 효율에 미치는 영향을 밝혀내는 후속 규명 작업이 요구된다.