하나님의 푸는 모터 국소이성화효소(topoisomerase) - Jonathan Sarfati 글, 이종헌 역

하나님의 푸는 모터

국소이성화효소(topoisomerase)

 

Jonathan Sarfati 글, 이종헌 역

출처: creation magazine Vol. 40(2018), No. 1 pp. 24-26

 

 

 

 

 

 

모든 생명체는 믿을 수 없을 만큼 놀라운 기계와 그것을 지을 수 있는 ‘지침 설명서’를 포함하고 있다. 이 설명서는 책의 정보가 한 페이지에 문자로 쓰여 있듯이 그 유명한 디옥시리보핵산(DNA) 분자에 화학적 ‘문자’(뉴클레오타이드)의 서열로 구성되어 있다.

 

더욱이, 이러한 지침은 다음 세대에게로 복사가 된다. 당신은 어머니의 눈과 아버지의 귀를 실제로 얻은 것이 아니다. 그보다는, DNA에 복사 된 어머니의 눈과 아버지의 귀를 다시 제조하는 지침을 물려받은 것이다.(뒷부분의 부록 참조).

 

DNA의 물리적 크기는 가장 단순한 생명이라도 기능 할 수 있기 전에 해결되어야 할 많은 문제를 제기한다. 이중 나선은 그 폭이 약 2.5나노미터(1 천만 분의 1 인치)로, 너무 얇아서 어떤 광학 현미경으로도 볼 수 없다. (나선을 한바퀴 도는 길이는 약 10.5 문자 정도이다.) 그러나 전체 DNA 분자는 극도로 길다: 가장 큰 인간 염색체 번호 1은 2억2천만 글자로 구성되며 전부 펼치면 길이가 85mm(3.4in)가 된다. 당신 세포 안에 있는 모든 DNA를 한 줄로 세우면 길이가 약 2m(6~7 피트)가 된다! 엄청나게 길고 얇으며 끈적끈적한 가닥이 미시적인 세포 안에 채워져 있어야 하는데 엉키거나 매듭을 이루지 않고 유지되어야 한다. 세포는 이 모든 것을 하기 위해 복잡한 기계가 필요하다. 이 기계들은 놀랍고 복잡하며, 우리 창조주의 천재성에 대한 증거이다.

 

 

Unwinding the double helix(이중 나선을 풀기)

 

DNA가 해독 될 때(즉, 단백질 생성에 정보가 사용되는 경우), 이중 나선의 두 가닥을 분리해야 한다. 그리고 재생산하는 동안 각 가닥은 독립적으로 복사된다.

 

여기에는 DNA 헬리카제라고 불리는 특수 모터가 필요하다. 그것들은 DNA가 통과 할 수 있는 구멍이 있는 링 모양이다. 그러나 모터이기 때문에 역시 연료가 필요하다. 헬리카제는 ATP라고 불리는 ‘연료’에 의해 구동되는데, ATP는 또 다른 모터인 ATP 신타아제(역방향으로 리아제 반응을 하는 효소)[1]에 의해 만들어진다. ATP를 에너지원으로 사용하면 모양이 주기적으로 변화하여 약 10,000 rpm의 속도로 헬리카제 링 주위를 달리는데, 이 속도는 제트 엔진 터빈이 회전하는 속도이다. 헬리카제는 DNA를 따라 빠르게 달리며 복제 갈래(replication fork)에서 두 가닥을 분리한다.[2] 그런 다음, 많은 다른 기계가 DNA를 해독하고 가닥을 다시 모으거나 가닥을 복사한다. 이것은 DNA 복사 속도가 초당 1,000 자이고 헬리카제가 복사기보다 앞서야하기 때문에 매우 빠르게 실행되어야 한다.

 

 

Supercoils(슈퍼 코일)

 

DNA의 나선형(뚤뚤 말린) 모양은 헬리카제가 그것을 풀어 가닥을 분리할 때 증폭되는 또 다른 문제를 일으킨다. 당신은 여러 가닥으로 된 긴 밧줄로 그 문제를 쉽게 시연할 수 있다: 가운데서부터 시작하여 가닥을 양쪽으로 당겨보라. 곧 분리점의 양쪽에 또 다른 비틀림 저항이 생겨서 풀기가 너무 어려워질 것이다. 다시 놓으면, 밧줄은 원래 모양으로 다시 감기려고 할 것이다. 오래된 전화기의 감겨진 전화줄을 생각하면 꼬인데 위에 또 꼬여서 쉽게 얽히려고 하는 것을 알 수 있을 것이다. 앞방향으로 꼬임이 추가되는 것을 보완하려면 풀리는 위치 뒤쪽의 DNA에 꼬임을 추가하고 또한 슈퍼 코일(많이 감김) 되어야 한다. 세포에서 DNA의 풀림이 방지되면 세포는 더 이상 단백질을 만들지 못하거나 스스로를 복제 할 수 없다.

 

 

 

(그림)DNA 복제 또는 DNA 합성은 이중 가닥 DNA 분자를 복제하는 과정이다. 이 과정은 우리가 알고 있는 한 모든 생명에 가장 중요하다. 면책 조항: 이것은 매우 복잡한 기계류에 대한 간단한 도표이다(예를 들면, 헬리카제는 DNA 가닥이 통과하는 고리 구조를 가지고 있다).

 

 

Detangling machines(푸는 기계)

 

창조주께서는 살아있는 생명체 내의 이러한 문제를 국소이성화효소(topoisomerases)[3]라고 불리는 특별한 단백질 기계(효소)를 가지고 해결하셨다. 그것들은 DNA를 자르고 다시 배열하고 다시 붙인다. 그것들은 DNA가 과도하게 감아지는 것을 방지하기 위하여 복제 갈래(replication fork)의 앞에서 작동해야한다.

 

국소이성화효소에는 몇가지 부류가 있지만, 2개의 주요 유형으로 묶어진다:

 

•유형 1의 국소이성화효소는 DNA 가닥 중 하나를 절단하고 일시적으로 절단의 양끝에 접착시킨다. 그런 다음 절단되지 않은 가닥은 갈라진 틈으로 자유롭게 통과한다. 어느 경우이든, 이것은 한 번에 하나의 꼬임씩 변형을 해제하거나 ‘이완’시킨다. 마지막으로 갈라진 틈을 다시 연결하는데, 이것을 결찰(ligation)이라고 한다.

 

유형 1의 국소이성화효소는 ATP를 필요로 하지 않는다. DNA의 과다 감김에 의해 축적된 에너지는 감겨진 스프링을 내버려 둘 때 그러하듯이 단순하게 방출된다.

 

•유형 II의 국소이성화효소는 더 복잡하다. 이 유형은 이중 나선의 두 가닥을 다 자르고 그것을 따로 붙들고 있는다. 그런 다음 절단되지 않은 부분에서 이중 나선의 루프를 갈라진 틈을 통하여 당겨온다. 그 후, 두 가닥이 재 연결되고, 통과 된 DNA가 방출되며, 마지막으로 효소가 재 연결된 DNA를 방출하므로써 그 과정을 필요한 대로 반복 할 수 있다. 이 여러 단계에 대해 ATP가 필요하다.

 

유형 II의 국소이성화효소는 또 다른 이유 때문에 중요하다: DNA가 복제 될 때 때로는 두 개의 ‘딸’ DNA 분자가 사슬의 링크처럼 서로를 감쌀 수 있다. 즉, catenated(사슬꼴로 연결되다)될 수 있다(라틴어 catena = 사슬). 따라서, 이런 연결된 분자들을 분리하는 것을 decatenation(분리)이라고하며, 이것이 유형 II의 국소이성화효소의 중요한 역할이다.

 

 

Useless unless fully functional(완전히 기능하지 않으면 쓸모없다)

 

이들 효소는 세 가지를 해야 하는데, 그렇지 않으면 쓸모없거나 심지어 해로울 것이다: (1) 절단, (2) 절단된 곳을 통하여 다른 가닥을 이동시키기, (3) 다시 연결하기. 각 단계가 얼마나 중요한지는, 어떤 한 단계라도 무능하게 되면 그 효소는 작동하지 않고 그 세포가 죽는다는 것이다.

 

사실 일부 항균제와 항암제는 국소이성화효소를 표적으로 작용한다. 플루오로퀴놀론계(예로써, 시프로플록사신, 레보플록사신)라고 불리는 항생제 종류는 세균성 유형 II 국소이성화효소의 재 연결 단계를 멈추게 하여 DNA 속에 갈라진 틈을 증가시켜 세포를 빠르게 죽인다. 일부 항암제(예를 들어, 캠토테신, 토포테칸)는 통제 할 수없는 상태로 재생되는 암세포에서 유형 I과 유형 II의 국소이성화효소에 동일한 작용을 한다.

 

촉매 억제제라고 부르는 다른 부류의 약물은 ATP 에너지 방출을 막아서 첫 번째 단계인 절단을 중단시킴으로써 작동한다. DNA가 조각으로 찢어져서 세포가 죽는 대신에, DNA가 엉켜서 세포가 번식하거나 단백질을 만들지 못하게 한다.

 

 

Problems for evolution(진화에 대한 문제)

 

분명히, 생명 이전의 조건에서 무작위 화학 반응은 작고 점진적인 단계에 의해 첫 번째 세포를 생산할 수 없었다. 각각의 단계는 이전의 단계보다 더 나은 점이 있어야 하고 자연 선택이 이것을 선호해야 하는데, 이 과정이 효소가 첫 번째 단계인 절단을 실행했다고 가정해 보자. 그것을 다시 모으지 않으면 이것은 정보 분자를 조각으로 절단하여 세포에 해를 입힐 것이다!

 

그러나 그것은 심지어 진화에 더 나쁘게 작용한다. 자연 선택은 정의에 의하면 차별재생산이다: 즉, ‘A가 생물 B보다 더 적합하다’는 말의 의미는 ‘A가 B보다 생존 후손이 더 많음’을 의미한다. 따라서 자연 선택에는 최소한 두 개의 자체 복제 개체가 필요하다. 이것은, DNA를 복제하는 방법을 갖기 전까지는 재생산할 수 없기 때문에 복제의 기원을 설명 할 수 없다는 것을 의미한다. 그리고 우리가 보았듯이 국소이성화효소 없이는 DNA가 너무 빨리 얽히게 될 것이기 때문에 DNA를 복제할 수 없다. 자연 선택은 첫 번째 국소이성화효소의 기원을 설명 할 수 없으므로 다윈의 진화는 시작조차 하지 못한다.[4]

 

여전히 존재하는 또 다른 문제는 ‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐’라는 속담과도 같다.[5] 즉, 국소이성화효소를 만드는 지침이 DNA에 들어있지만, DNA를 푸는 국소이성화효소가 없으면 이들 지침을 읽을 수 없다. 심지어 가장 간단한 유형 II의 국소이성화효소는 두 개의 분절 사이에 800 개의 단백질 ‘문자’(아미노산)가 나뉘어져 있다. 하나의 단백질 문자를 암호화하는 데에는 3개의 DNA ‘문자’가 필요하기 때문에, 이를 위한 유전자는 길이가 약 2,400 문자이므로 너무 길어서 풀지 않고는 읽을 수 없다.

 

그리고 이 모든 지침들은 딸 DNA 가닥을 분리하는 유형 II의 국소이성화효소가 없으면 다음 세대로 넘어갈 수 없다. 살아있는 모든 유기체 중 가장 작은 게놈을 가지고 있는 마이코플라즈마 제니탈리움(Mycoplasma:바이러스와 세균의 중간 성질을 지닌 미생물, genitalium: 음부)의 DNA조차도 너무 커서 스스로를 분리할 수는 없다.

 

 

Conclusion(결론)

 

가장 단순한 생명체조차도 단백질을 만들거나 그것들을 자손에게 전달해 주기 위해 DNA 지침을 읽을 수 있기 이전에 국소이성화효소가 필요하다. 이들은 복잡하고 잘 설계된 기계로서 DNA를 절단하고 이동시키고 다시 연결한다. 그것들 없이는 재생산이 불가능하기 때문에, 무작위 돌연변위와 자연선택의 결합이라는 다윈의 진화 첫 번째 국소이성화효소를 만들어 낼 수 없다.

 

 

References and notes(참고문헌과 노트)

 

1. Thomas, B., ATP synthase: majestic molecular machine made by a mastermind, Creation 31(4):21–23, 2009; creation.com/atp-synthase.

2. A good description and video can be found in Unwinding the double helix: Meet DNA helicase, evolutionnews.org, 20 February 2013. Other fascinating videos can be found on DNA Learning Center, dnalc.org.

3. For more information, see DeWeese, J.E., DNA topoisomerases—the ‘relaxers’ and ‘unknotters’ of the genome, J. Creation 30(2):92–101, 2016. Dr Joe DeWeese of Lipscomb University, Nashville, Tennessee, has published many topoisomerase papers in leading secular science journals. See also the video Topoisomerase 1 and 2, youtube.com.

4. The proposed origin of life from non-living chemicals is commonly called chemical evolution.

5. The answer’s actually easy according to Scripture: God created the chicken on Day 5, which then laid the egg. Actually, to be precise, God made the galliform created kind that comprises heavy ground-living birds, which after the Ark diversified into chickens, partridges, pheasants, quail, turkeys, etc. Lightner, J., An initial estimate of avian ark kinds, Answers Research Journal 6:409–466, 2013.

 

 

(부록)DNA: the best information storage system(DNA: 최고의 정보 저장 시스템)

 

DNA는 알려진 가장 진보된 정보의 저장/검색/전송 시스템이다. 살아있는 세포의 DNA 정보 밀도는 약 1,000 테라바이트/입방 밀리미터이다.[1] 따라서 살아있는 세포는 아주 작은 공간에 엄청난 양의 정보를 저장할 수 있다: 가장 단순한 생명체는 마이코플라즈마라는 세포 내 기생충으로 약 600킬로바이트의 DNA를 가지고 있는 반면, 인간 세포 하나에는 약 3기가바이트를 가지고 있다.[2]

 

각각의 인간 세포에 들어있는 모든 정보를 종이와 잉크로 쓴다면 성경 크기의 책 약 천권(그러나 미국 세금 법전의 200배 크기에 불과)을 차지할 것이다.[3] 그러나 잉크의 화학 성분에는 책의 정보를 생성 할 수 있는 것이 아무 것도 없다. 페이지에 잉크를 쏟아 부으면서 정보가 생산되지 않는다! 그것이 아니고, 정보는 저자가 잉크로 문자를 배열함으로써 생성된다. 정확히 동일한 방식으로, DNA ‘문자’의 화학 성분에는 그것들이 생명의 메시지를 쓰게 하는 것이 아무것도 들어 있지 않다.

 

1. More details and documentation in Sarfati, J., DNA: the best information storage system, 9 October 2015; creation.com/dna-best. See also Batten, D., DNA repair mechanisms ‘shout’ creation, Creation 38(2):56, 2016; creation.com/dna-repair.

2.For simplicity, I treat each DNA ‘letter’ as a ‘byte’ of information, which is ‘in the right ball park’. In reality, since there are four possibilities at each locus, we could use two bits to store each letter, which would reduce the overall memory requirement by 4-fold. But, using one letter per byte, we have 3.17 billion base pairs (bp), and two copies of the genome in each cell, so 6.34 billion bp, or 5.90 GB.

3. Erb, K.E., [American] Tax code hits nearly 4 million words, Taxpayer Advocate calls it too complicated, forbes.com, 10 January 2013. For comparison, the KJV has almost 800,000 words.