박테리아의 편모 : 분자 모터들은 경이로운 설계를 보여준다.

미디어위원회

2023-11-12

박테리아의 편모 : 분자 모터들은 경이로운 설계를 보여준다.

(Bacterial Flagella : Molecular Motors Show Masterful Design)

by Brian Thomas, Ph.D., and David Thomas*

소화관(guts)에서 살아가고 있는 박테리아는 편모(flagella)라고 불리는, 추진력을 가진 작은 엔진을 사용하여 헤엄친다(그림 1). 편모들은 채찍 끈처럼 회전하는데, 박테리아의 종류에 따라 숫자가 다르다. 이들 박테리아는 특정 편모의 회전 방향을 변경하여, 새로운 방향으로 이동하기 위해 위치를 바꿀 수도 있다.

이것들은 강력한 초소형 모터인 셈이다! 얼마나 잘 작동할까? 어떻게 제어하고 있는 것일까? 새로운 연구를 통해 예상치 못한 놀라운 세부 사항이 밝혀지면서, 한 꼼꼼한 공학자는 이 나노 기계가 어떻게 생겨났는지, 그 어느 때보다 명확하게 설명할 수 있게 되었다.

엔진 부품들

그림 1. 편모(노란색)를 가진 박테리아(청록색)

박테리아의 편모는 부싱(bushing, 베어링의 한 종류)과 기어(gears)를 포함하여, 단단히 결합되어 있는 부품들로 이루어져 있다. 박테리아의 종류에 따라 디자인이 다르지만, 헤엄을 치며 운동하는 박테리아는 필요한 모든 엔진 부품들을 갖추고 있다(그림 2). 편모의 주요 부품들은 다음과 같다 :

1. 기어박스(gear box) : 커다란 중앙 기어와 이를 둘러싸고 있는 하나 이상의 작은 기어들로 구성된다. 박테리아의 세포질막을 가로지르는 전압(그리고 화학적 전위)이 이 작은 기어들에 동력을 공급하여, 그 자체로 작은 전기화학 모터가 된다. 중앙 기어를 C-링이라고 하고, 작은 기어들을 일반적으로 고정자 복합체(stator complexes)라고 한다. 고정자는 전기 모터의 고정 부분을 가리키는 전기공학에서 사용되고 있는 용어이다.

2. 구조 발판(structural scaffold) : 여러 개의 링(rings), 디스크(disks), 케이지(cage)와 같은 구조들로 구성되어서, 편모의 모터, 특히 고정자 복합체를 안정화시킨다. 디자인은 박테리아 종마다 다르다.

3. 중앙 허브(central hub, 일반적으로 MS-ring이라고 함) : 중앙 기어와 구동축을 연결한다.

4. 구동축(driveshaft, 때때로 로드(rod)라고도 함) : 중앙 허브에서 세포 바깥의 유니버셜 조인트로 토크(회전력)를 전달한다.

5. 부싱(bushing) : 회전을 안정화하면서, 구동축 주위가 물이 새지 않도록(방수) 밀봉하는 베어링의 일종이다.

6. 유니버셜조인트(universal joint, 그것의 모양 때문에 자주 후크(hook, 갈고리)라고 불려짐) : 편모의 회전축을 변경하고, 모터에서 프로펠러 필라멘트로 토크(회전력)를 전달한다.

7. 나선형 필라멘트(helical filament) : 프로펠러.

8. 내보내기 게이트(export gate) 및 조립 모터(assembly motor, 편모 모터 내부에 위치) : 단백질들을 분류하여 각 편모를 구성하는 데 필요한 시간에 적절한 조립 부위로 내보낸다.

9. 내비게이션 시스템(navigation system) : 박테리아 편모의 일부는 아니지만, 박테리아가 유해한 환경을 피하고 먹이를 찾는 데 중요한 역할을 한다. 박테리아 내비게이션 시스템에는 환경 조건을 감지하는 센서와 감각 입력을 해석하고 적절한 편모 스위치를 활성화하는 알고리즘을 포함한 많은 구성 요소들이 통합되어 있다.

그림 2. 완전히 조립된 대장균 편모의 그림(David Thomas using the Molecular Nodes Add-on in Blender). 단백질 구조는 RCSB 단백질 데이터 뱅크(RCSB Protein Data Bank)[1] 및 알파폴드 데이터베이스(AlphaFold Database)[2]에서 가져왔다.

기어 박스

오사카 대학의 분자공학자인 케이이치 난바(Keiichi Namba)는 박테리아 편모의 기어박스는 "두 개의 톱니바퀴 기어 시스템과 같다"고 말했다.[3] 그림 3은 하나의 편모마다 있는 동력기어(powered gears)라고도 불리는 노란색의 11개의 고정자 복합체(stator complexes)를 보여준다. 세포 외부에서 볼 때, 그것들은 항상 시계 방향으로 회전한다. 정방향 모드에서 중앙기어(그림 3의 파란색 고리)는 고정자 복합체 고리의 안쪽 면과 일직선이 된다. 이 위치에서 중앙기어는 편모를 시계 반대 방향으로 회전시킨다.

그림 3. 전진 및 후진 기어. (A) 위에서 본 편모 기어박스의 다이어그램으로, 중앙기어는 파란색, 작은 기어는 노란색, 작은 기어의 축은 주황색으로 표시되어 있다. 중앙기어는 왼쪽에서는 시계 반대 방향(CCW)으로, 오른쪽에서는 시계 방향(CW)으로 회전한다. 동력기어는 항상 CW 방향으로 회전한다. (B) 모터의 내부 모습, A와 같은 색상으로 표시됨. CheY-P를 중앙기어에 결합하면, 중앙기어 상단의 직경이 커지는 형태 변화가 유도된다.[4]

어떻게 후진으로 회전하는 것일까? 내비게이션 시스템으로부터 신호 단백질이 중앙기어의 바깥쪽에 결합한다. 이렇게 하면 중앙기어가 바깥쪽으로 기울어져 직경이 커진다(그림 3). 그런 다음 중앙기어가 고정자 복합체의 바깥쪽과 맞물려 중앙기어와 나머지 편모가 시계 방향(역방향)으로 회전한다. 일정 시간이 지나면, 내비게이션 시스템의 구성 요소가 모터에서 후진 신호를 제거하여, 중앙기어를 다시 전진으로 전환할 수 있다.

작은 기어의 회전이 어떻게 중앙기어의 회전을 구동하는가? 중앙기어에는 일련의 노브(knobs, 돌출부)들이 있다. 고정자 복합체에는 기어 톱니 모양의 노브가 각각 5개씩 있다. 두 노브 세트는 모두 정확하게 정렬된다. 우리가 아는 한, 이 기어 톱니는 인공 기어처럼 서로 맞닿아 있지 않다. 대신 톱니의 특정 위치에 전하를 띠고 있어서, 약간 떨어진 거리에서 힘을 발휘한다.

이는 톱니에 자석이 있어 서로 밀어내는 인공 비접촉식 기어(contactless gears, 거의 마찰이 없음)와 유사하다. 한 논문에서는 "A 서브유닛[기어 단백질]의 고도로 보존된 하전 및 인접 잔류물[아미노산]이 로터(rotor, 회전자)와 상호작용하여, 기어와 같은 메커니즘을 통해 토크(회전력)를 생성한다."[5] 편모 기어박스의 다른 설계 특징과 다른 편모 부품의 설계 특징에 대한 자세한 논의는 데이비드 토마스(David Thomas)의 리뷰를 참조하라.[6]

어떻게 이런 것들이 생겨났을까?

유명한 진화론자였던 할데인(J. B. S. Haldane)은 자연선택에 의한 진화는 "바퀴(wheel)와 자석(magnet)과 같은 여러 메커니즘을 만들 수 없는 것으로 보인다. 왜냐하면, 이러한 것들은 상당히 완벽하게 되기 전까지 아무런 쓸모가 없을 것이기 때문이다"라고 말한 적이 있다.[7] 그의 말이 맞는다면, 진화는 바퀴와 정전기 기어가 발견된 박테리아 편모 하나에서도 허우적거리는 셈이 된다. 박테리아 편모는 정말 놀라운 극소형 분자기계이다. 그 극도로 정밀한 세부구조들과 정교함은 방향도 목적도 없는 무작위적 돌연변이로 우연히 생겨나기는 극히 어려워 보인다. 성경의 하나님과 같은 마스터 설계자가 필요하다.

References

1. Berman, H. M. et al. 2000. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Research. 28 (1): 235–242.

2. Jumper, J. et al. 2021. Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature. 596: 583–589; Varadi, M. et al. 2022. AlphaFold Protein Structure Database: massively expanding the structural coverage of protein-sequence space with high-accuracy models. Nucleic Acids Research. 50 (D1): D439–D444.

3. Namba, K. 2020. A proposed gear mechanism for torque generation in the flagellar motor. Nature Structural and Molecular Biology. 27 (11): 1004–1006.

4. Image sourced from Thomas, D. 2023. Fascinating new insights into the design of bacterial flagella. Creation Matters. 28 (1).

5. Terashima, H. et al. 2022. Mutations in the stator protein PomA affect switching of rotational direction in bacterial flagellar motor. Scientific Reports. 12: 2979.

6. Thomas, D. 2023. The Design of Bacterial Flagella: Part 1–Flagellar Design in Model Organisms. Journal of Creation. 37 (2): 83–95.

7. Dewar, D., L. M. Davies, and J. B. S. Haldane. 1949. Is Evolution a Myth?: A Debate between Douglas Dewar, L. Merson Davies and J. B. S. Haldane. London: C. A. Watts/Paternoster Press, 90.

* Dr. Thomas is Research Scientist at the Institute for Creation Research and earned his Ph.D. in paleobiochemistry from the University of Liverpool. David Thomas is the pen name for an undergraduate student from Oceania studying biological sciences.

. Cite this article: Various Authors. 2023. Bacterial Flagella: Molecular Motors Show Masterful Design. Acts & Facts. 52 (11).

*참조 : 대장균의 전기 모터 : 한 경이로운 설계

https://creation.kr/LIfe/?idx=15444699&bmode=view

박테리아의 편모는 많은 모터들로 이루어져 있었다 : 더욱 복잡한 것으로 밝혀진 지적설계의 상징물

https://creation.kr/IntelligentDesign/?idx=5477172&bmode=view

7개의 모터가 하나로 연결된 편모를 갖고 있는 세균!

https://creation.kr/LIfe/?idx=9061399&bmode=view

회전하는 엔진 : 진화에 대한 도전 초소형 추진체인 세균들의 편모가 우연히?

http://creation.kr/IntelligentDesign/?idx=1291619&bmode=view

박테리아 편모의 모터는 단백질 클러치를 가지고 있었다.

https://creation.kr/Topic101/?idx=13855172&bmode=view

고속 점프를 하는 멸구에서 기어가 발견됐다!