지구 대부분 생명체, ‘비상 브레이크’ 작동 후 휴면 상태

• 많은 미생물과 세포는 환경이 나빠지면 성장을 멈추고 휴면 상태로 들어가며, 일부 추정으로는 지구 미생물 세포의 60%가 어느 순간이든 잠든 상태에 있음
• 새 단백질 Balon은 세균의 단백질 생산 장치인 리보솜을 즉시 멈추게 하며, 등록된 세균 유전체의 20%에서 관련 유전자가 발견됨
• 기존 휴면 인자는 단백질 합성이 끝난 뒤 다음 합성을 막는 방식이었지만, Balon은 작동 중인 리보솜에도 끼어들어 비상 브레이크처럼 번역을 중단시킴
• Balon은 리보솜의 A site 근처에 결합해 빠르게 들어가고 빠질 수 있어, 세포가 스트레스 상황에서 잠들었다가 조건이 좋아지면 다시 활성화되기 쉬움
• 휴면은 세균뿐 아니라 난자, 줄기세포, 면역세포, 간세포, 곰의 동면, 바이러스의 lysogeny 등 생명계 전반에서 쓰이는 생존 전략임

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Balon이 멈추는 것: 리보솜과 에너지 사용

• 세포는 굶주림이나 추위 같은 악조건을 감지하면 휴면 인자 단백질을 만들어 대사를 낮춤
• 휴면 인자는 세포 기계를 해체하거나 유전자 발현을 막고, 특히 새 단백질을 만드는 리보솜을 멈추는 부류가 중요함
• 성장 중인 세균 세포에서 단백질 생산은 에너지 사용의 50% 이상을 차지함
• 리보솜이 멈추면 새 단백질 합성이 줄어들고, 기본 생존에 필요한 에너지를 아낄 수 있음

Balon의 발견과 작동 방식

• Balon은 북극 영구동토층에서 얻은 저온 적응 세균 Psychrobacter urativorans에서 발견됨
• 실험 중 배양액을 얼음통에 너무 오래 두면서 세균이 저온 충격을 받아 휴면 상태가 됨
• 연구진은 휴면 상태의 세균에서 리보솜을 추출해 cryo-EM으로 관찰했고, 리보솜의 A site에 단백질 하나가 끼어 있는 것을 확인함
• 이 단백질은 기존에 기술된 적이 없었고, 리보솜 부품의 분해와 재활용에 관여하는 Pelota와 유사해 스페인어로 공을 뜻하는 다른 단어인 Balon이라는 이름이 붙음
• Nature에 발표된 연구에서 Balon은 기존 리보솜 휴면 인자와 다른 방식으로 작동하는 것으로 확인됨

기존 휴면 인자와 다른 “비상 브레이크”

• 기존에 알려진 리보솜 교란 휴면 인자는 비교적 수동적으로 작동함
  • 리보솜이 단백질 하나를 다 만들 때까지 기다림
  • 이후 리보솜이 새 단백질 합성을 시작하지 못하게 막음
• Balon은 이미 작동 중인 리보솜까지 포함해 세포 안의 리보솜에 들어가 활동을 멈출 수 있음
• 기존 휴면 인자는 리보솜의 A site를 물리적으로 막기 때문에 진행 중인 단백질 합성이 끝나야 결합할 수 있음
• Balon은 통로를 완전히 가로막지 않고 근처에 결합해, 리보솜이 무엇을 하고 있든 삽입과 제거가 가능함
• 이 특성 덕분에 세포 성장을 멈추게 했다가 카세트테이프처럼 빠르게 빠져나갈 수 있음

Balon은 드문 예외가 아니라 널리 퍼진 단백질

• Balon 유전 서열을 찾자 공개 데이터베이스에 등록된 세균 유전체의 20% 에서 관련 서열이 발견됨
• 연구진은 그중 두 가지 대체 세균 단백질도 분석함
  • 결핵을 일으키는 인간 병원체 Mycobacterium tuberculosis의 단백질
  • 초고온 해저 열수구에 사는 Thermus thermophilus의 단백질
• 두 단백질도 리보솜의 A site에 결합해, 일부 Balon 친척 단백질이 다른 세균 종에서도 비슷하게 작동할 가능성을 보임
• Balon은 세포 휴면 연구에서 흔히 쓰이는 Escherichia coli와 Staphylococcus aureus에는 없음
• 제한된 실험실 모델 생물에 집중하면 널리 퍼진 휴면 전술을 놓칠 수 있음

생명계 전반의 휴면

• 지구 생명체의 다수는 활동을 계속 키우기보다 필요할 때 대사를 멈추거나 낮추는 능력을 갖고 있음
• 실험실 모델 세균 E. coli는 다섯 가지 별도 휴면 방식을 갖고 있으며, 각각만으로도 위기 상황에서 생존에 충분함
• 휴면은 굶주림 상황에만 필요한 현상이 아님
  • 인간 난자는 수정될 때까지 수십 년 동안 휴면 상태로 있음
  • 인간 줄기세포는 골수에서 태어난 뒤 신체 신호를 기다리며 정지 상태에 있음
  • 신경 조직의 fibroblast, 면역계의 lymphocyte, 간의 hepatocyte도 비활성·비분열 단계에 들어갔다가 다시 활성화됨
• 곰의 hibernation, herpes virus의 lysogeny, 벌레의 dauer stage, 곤충의 diapause, 양서류의 aestivation, 새의 torpor도 조건이 좋아지면 되돌릴 수 있는 휴면 상태임

확률적 휴면과 집단 생존

• 일부 세포는 환경 변화를 감지해 휴면에 들어가지만, 많은 세균은 확률적 전략도 사용함
• 무작위로 변하는 환경에서는 어떤 세포도 휴면에 들어가지 않으면 우발적 재난으로 전체 집단이 사라질 수 있음
• 가장 건강하고 빠르게 자라는 E. coli 배양에서도 세포의 5~10%는 휴면 상태에 있음
• 이 휴면 세포들은 더 활동적이고 취약한 세포들이 피해를 입을 때 살아남는 지정 생존자 역할을 함
• Balon 같은 휴면 메커니즘은 어떤 종이 기후 변화 속에서도 안정적으로 남거나 회복할 수 있는지 이해하는 데 연결됨

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• Karla Helena-Bueno가 북극 세균을 얼음 위에 너무 오래 두고 잊어버렸다가 공통 동면 인자를 발견했다는 이야기가 좋음
  혁신과 발견이 자주 따르는 마법 같은 패턴, 즉 우연한 사고가 그대로 드러남. 인간적이라 신선하고, 머신러닝이 완전히 빼앗아 갈 방식의 발견은 아니라고 봄

  • 과학에서 새 발견을 알리는 가장 흥미로운 말은 “유레카!”가 아니라 “이상한데…”라는 말이라는 문구가 떠오름
    보통 Isaac Asimov의 말로 알려져 있음
  • 운 좋게 발견한 뒤 과거를 실력 서사로 합리화하고, 그다음 연구비를 다 가져가는 흐름에는 찬성임
  • AI가 얼음 속 세균을 잊어버리진 않겠지만, 우리처럼 패턴을 잘 찾고 훨씬 큰 규모로 할 수 있음
    사고가 아니라 다른 각도에서 동면 메커니즘을 찾아낼 수도 있음. AGI가 현실이 되면 충분한 데이터를 먹은 뒤 이상한 방식으로 “이거 흥미로운데”라고 할지도 모름. 거의 60년 전에 초기 AGI가 어떻게 행동할지 꽤 현실적으로 묘사한 소설 Colossus를 좋아함: https://en.wikipedia.org/wiki/Colossus_(novel)
  • 머신러닝은 이런 발견을 훨씬 더 많이 하게 만드는 데 중요한 역할을 할 가능성이 큼
    현재의 제약은 흥미로운 패턴을 알아볼 지식보다, 그 패턴을 대규모로 찾아볼 역량에 더 많이 있음
  • “The Making of the Atomic Bomb”을 읽는 중인데, 실제로는 핵물리학 발견 과정에 관한 책에 가까움
    그리고 대부분의 발견이 우연히 이루어졌음

• 인간도 예전에 동면할 수 있었다는 사실이 떠오름 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1117993/) 그리고 (https://www.popularmechanics.com/science/a35033907/early-hum...)

  • 대충 훑어보면 확정된 사실이라기보다는 가설에 가까워 보임
    “그들은 비교적 안전한 동굴 안에서 1년 중 최악의 시기를 잠으로 넘기기로 했고, 그러기 위해 영양과 햇빛을 통한 비타민 D를 포기했다”는 식임. 북쪽의 겨울에 밖에 있든 동굴에 있든 비타민 D 수치에는 큰 차이가 없고, 태양 고도가 낮아 몸이 어차피 비타민 D를 만들기 어려움. 예컨대 Inuit는 햇빛 없이도 비타민 D를 얻을 수 있음. 겨울에 영양이 부족했다는 것도, 저장·보존 기술이 발달하기 전에는 그냥 겨울에 먹을 게 별로 없었다는 뜻일 수 있음
  • 첫 번째 BMJ 1900 글은 약간 걸리버 여행기처럼 읽힘
    두 번째 글은 40만 년 전 인류 조상에 관한 내용이라 꽤 오래전 이야기임
  • 높은 세로토닌, 추위 노출, 적은 햇빛을 생각하면 동면이 가능할 것처럼 보이기도 함
    그런데 목적이 무엇일까 싶음. 아마 수명 단축과 암 위험 증가로 이어질 가능성이 큼

• “잠자는 동안 우리가 놓치는 것을 불평하기보다, 수면을 지구상의 모든 생명, 북극 영구동토 깊은 곳에서 잠든 미생물까지 우리와 연결하는 과정으로 경험할 수 있다”는 문장은 흥미롭지만, 북극 영구동토 깊은 곳의 미생물들이 잠들어 있다는 사실이 더 안심됨
  깨어나면 무슨 일이 생길지 생각하고 싶지 않음

  • 인간과 다른 종은 왜 잠을 잘까? 어쩌면 그냥 잘 수 있기 때문일지도 모름
    깨어 있을 좋은 이유가 없다면 자고, 깨어 있기에 더 나은 때를 위해 에너지를 아끼는 것임. 다만 이 설명은 왜 꿈을 꾸는지는 답하지 못함
  • 깨어나면 엄청난 양의 CO2와 메탄을 방출하기 시작할 수도 있음
  • 지금 우리가 가진 항생제와 여러 물질을 수많은 만남 끝에 조심스럽게 진화해 온 미생물·바이러스도 비슷하거나 더 큰 위험 수준일 수 있다고 봄

• 영원히 누울 수 있는 것은 죽지 않았고, 기묘한 영겁 속에서는 죽음마저 죽을 수 있음

• 와, 이건 자연이 만든 지연 평가(lazy evaluation) 메커니즘 같음

• 치료 가능성을 아무도 거의 말하지 않는 듯함
  세균 감염을 휴면 상태로 만들 수 있다면 좋겠음. 종양도 마찬가지임

  • 종양은 어려울 수 있음. 내가 알기로 암세포는 정의상 정상적으로 작동하지 않는 세포이기 때문임

• 노인들이 몸을 얼리고 휴면 상태를 유도해서, 세상이 더 나아졌을 때 깨어나는 장면이 떠오름
  그런 회사라면 투자하고 싶음

  • 진짜 어려운 점은 미래 세대가 굳이 해동해 줄 만한 사람이 되는 것임
  • 사실 50년 넘게 이미 진행 중임[0]
    0. https://en.wikipedia.org/wiki/Alcor_Life_Extension_Foundatio...
  • 너무 많은, 아직 그리 늙지 않은 사람들이 사용하면 결과가 별로 좋지 않을 수도 있음: https://xkcd.com/989/
  • 아직은 SF 같지만 조금씩 가까워지고는 있는 듯함
    며칠 전에 이런 것도 나왔음: https://news.ycombinator.com/item?id=40400591
  • 깨어났는데 세상이 더 나빠져 있으면 어떡할까?
    먼 미래의 사람들이 보존된 몸을 소중히 여길 자원으로 볼지, 착취할 대상으로 볼지에 대해 꽤 큰 도박을 하는 셈임

• 화성에 생물이 있었다면 이런 휴면 메커니즘을 썼을지 궁금해짐

• 복잡계에서 많은 개체가 아무것도 하지 않는 여유분을 갖는 건 완전히 자연스럽고, 사회에 기생하는 게 아니라 전체 시스템을 살아 있게 유지하는 데 필수라는 걸 대중에게 알려주면 안 됨

  • 그 비유 속 대중도 굶주림 수준의 자원 소비 절반을 무기한 중단할 수 있나?
    개체군 수준의 멸종 사건에 대비한 확률적 보험으로 그렇게 하고, 이후 회복할 능력도 있나? 이 글의 실제 내용에서 끌어낸 확장은 정말 형편없음