생물은 살아가기 위해 물질을 흡수하고, 합성하거나 분해하면서 이용한다. 이를 '대사 (metabolism)' 과정이라 한다. 사는 동안 이루어지는 모든 변화인 대사 과정에는 에너지가 필요하다. 이 에너지는 당의 인산화 과정으로 공급된다. 인산화 과정은 믈질에 인산(H₃PO₄)기를 붙이는 것을 말한다. 인산화 과정은 생체 내에서 리보핵산(RNA), 데옥시리보 핵산(DNA), 아데노신 삼인산(ATP) 등 생명을 구성하는 필수 요소를 만들어 내는 데 사용된다.

생체 내에서 인산화 과정은 ATP와 각 반응에 해당하는 효소로 자발적으로 진행된다. 그러나 인산화과정은 열역학적으로는 비자발적인 반응으로, 세포 내에서만 자발적 반응이 가능하다고 알려져 있다. 따라서 인산화 과정이 세포에서 일어난 과정을 밝히는 것이 생명 기원 탐구의 시작이다.

IBS 식물 노화·수명 연구단(단장 남홍길)은 미국 스탠퍼드대학 연구팀과 공동 연구를 통해 리보스(ribose), 포도당을 비롯한 당의 인산화가 마이크로 크기의 물방울 내에서 매우 빠른 속도로, 자발적으로 일어남을 확인했다. 실험실 환경의 수용액에서는 자발적으로 반응이 일어나기 어렵다는 기존의 이해를 뒤집고 생명 현상의 열쇠인 인산화 과정이 생명체 외부의 환경에서도 일어날 수 있음을 발견해 생명에 관한 새로운 연구 토대를 마련한 것이다.

▲ 당과 인산을 포함하는 수용액을 질소 가스와 함께 고압/고전위로 분사하여 마이크로 크기의 물방울을 생성한다.
물방울 상태에서 비행하는 거리를 조절하여 인산화된 당의 생성량과 반응시간의 관계를 측정한다.

생물체에서는 다양한 생화학 반응이 세포라는 제한된 공간에서 이루어진다. 연구진은 세포의 실제 물리적 공간과 유사한 환경에서 인산화 과정을 살펴보고자 매우 작은 마이크로 크기의 물방울 내에서 인산화 반응의 반응 역학을 관찰했다. 그 결과, 세포 외의 환경에서는 일어나지 않는 것으로 알려진 인산화 과정이 수백 마이크로초(µs)의 빠른 시간 내에 자발적으로 일어나는 것을 입증했다. 보통의 수용액에서는 엔트로피가 감소하는 데 반해 마이크로 크기의 물방울 내에서는 엔트로피 감소가 나타나지 않은 것이다. 이러한 결과는 마이크로 크기의 믈방울이 갖는 표면 전기장으로 인해 물질의 배향 및 반응 에너지가 달라지기 때문인 것으로 추정된다.

▲ 리보스 일인산의 시간당 인산화 수율을 나타낸 그래프.
상당량의 반응이 수십 마이크로초 내에 발생하며, 약 300 마이크로초 내에 평형에 도달하는 것을 볼 수 있다.
평형상태의 반응 수율로 계산한 반응의 자유 에너지는 -1.02 kcal/mol로 열역학적으로 자발적인 반응이다.
반면 수용액 상의 자유에너지 변화는 +5.4 kcal/mol로 비자발적인 반응이다.

연구진은 이번 연구를 통해, 생명의 기원이 작고 단순한 분자들을 포함하는 물방울일 가능성을 제시했다. 실제로 연구진은 마이크로 크기의 액체 방울 내에서 블특정 화학 반응의 반응 속도가 1000배에서 100만 배 이상 증가함을 입증했다. 인산화된 당 중 리보스 일인산은 RNA를 구성하는 핵염기를 만들기 위한 기본 물질이다. 따라서 이런 반응은 핵염기 및 RNA 역시 물방울 내에서 생성될 수 있다는 가능성을 보여준다. 이번 연구를 통해 생명체 내의 대사과정에 관한 이해를 높이고, 이를 통해 생명의 근원과 죽음에 관한 더욱 신빙성 있는 설명을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.