단세포의 불가사의한 지능 (2024)

E. coli의 주화성(chemotaxis) 은 뇌 없는 세포가 화학물질을 감지하고, 최근 환경을 기억하며, 영양분을 향해 이동하는 정교한 정보 처리 과정임 수용체가 유인물질 농도 증가를 감지하면 CheY 인산화가 줄어들고 편모 모터의 방향 전환이 감소해, 현재 방향으로 더 오래 헤엄침 수용체의 메틸화는 현재 농도를 새로운 기준으로 받아들이게 하는 화학적 기억이며, E. coli는 약 10만 배 범위의 유인물질 농도에서 민감하게 반응할 수 있음 감지부터 운동까지는 단백질의 형태 변화, 확산, 가역적인 화학 반응으로 연결되며, 지속적인 활성화와 비활성화 순환이 빠르고 조절 가능한 신호 전달을 만듦 동일한 유전자를 가진 세균도 소수 조절 단백질과 신호망의 동역학에 따라 서로 다른 행동을 보이며, 유전학 실험부터 분자 영상과 컴퓨터 모델까지 다양한 방법이 이 과정을 밝혀냄 주화성으로 들여다보는 세포의 계산 주화성은 E. coli가 화학적 단서를 따라 영양분을 찾는 과정으로, 단일 세포를 정교한 물리적 컴퓨터로 볼 수 있게 함 생물학을 이름의 목록으로 배우기보다 “냄새를 맡을 때 무슨 일이 일어나는가?”처럼 좁고 깊은 질문으로 접근하면, 개별 현상을 통해 넓은 원리를 이해할 수 있음 이런 문제의식은 생물학 교육에 관한 글과 이어짐 주화성은 전체 행동부터 분자 수준까지 연결해 이해할 수 있는 시스템 생물학의 사례임 단백질 구조가 기능을 결정하는 방식, 세포막이 정보 유입을 통제하는 방식, 화학적 변형이 상태를 저장하고 전달하는 방식이 함께 작동함 편모 모터라는 분자 기계까지 연결해 보면, 사고하지 않는 화학물질의 집합이 어떻게 생명체의 행동을 만들어내는지 살펴볼 수 있음 직진과 방향 전환으로 먹이를 찾는 방법 E. coli는 수용체로 유인물질을 감지하고 직진(run) 과 방향 전환(tumble) 의 비율을 바꿔 유인물질 쪽으로 이동함 몸체에 약 6개의 회전자가 있고, 각각 긴 편모를 구동함 회전자들이 같은 방향으로 돌면 편모가 다발을 이루어 세포를 전진시키며, 하나라도 반대로 돌면 다발이 풀리고 세포가 방향을 바꿈 화학적으로 균일한 환경에서는 직진과 주기적인 방향 전환을 섞어 무작위 보행을 함 기본 직진 시간은 약 1초로, 방향 전환 시간의 약 10배임 직진이 너무 잦거나 길면 먹이를 지나치고, 너무 드물거나 짧으면 먹이를 찾기 어려워져 활용과 탐색의 균형이 중요함 세포질을 이동하는 CheY가 수용체 복합체와 모터 사이...