단세포의 지능: 대장균의 화학주성 시스템

핵심 요약

• 대장균의 화학주성(chemotaxis)은 뇌 없는 미생물이 화학 수용체로 영양분을 감지해 달려가거나 회전해 움직이는 기본적인 지능 현상이다.
• CheY라는 신호 분자가 수용체와 로터 사이를 오가며 인산화되어 로터를 뒤집는 방식으로 달리기(run)와 회전(tumble)의 비율을 조절한다.
• 신호 증폭 메커니즘으로 인해 2%의 수용체 점유 변화가 100%의 모터 출력 변화를 만들어 세포당 3개 미만의 분자도 감지할 수 있다.
• 메틸화 과정이 수용체의 강성을 조절해 세포가 환경을 '새로운 정상'으로 적응하며 5개 자릿수 농도 범위에서 반응할 수 있게 한다.
• 화학 수정을 통해 메모리를 저장하는 적응 메커니즘은 뇌가 신경화학적 상태를 저장하는 방식과 원리적으로 유사하다.
• 인산화·탈인산화 순환은 '허사(futile cycle)'로 불렸으나 실제로는 신속하고 유연하게 단백질 수준을 조절하는 필수 도구이며 포유동물 단백질의 30~50%가 인산화되어 있다.
• 수용체 단백질이 세포막에 박혀 리간드를 직접 감지하는 물리적 자물쇠-열쇠 메커니즘으로 작동하며 육각형 배열을 이루고 통합 회로처럼 신호를 합성한다.
• CheY-p 분자가 세포 반대쪽 로터까지 0.1초에 확산되어 도착하는데, 이는 세포 내 분자들이 열운동으로 초당 속도로 모든 다른 분자와 만나는 혼란 속에서 가능하다.
• 플래젤라 모터는 약 100% 효율로 초당 1500회전하며 완전 자가조립되고, CheY-p 여러 개가 FliG 단백질에 붙어야 모터가 반시계에서 시계 방향으로 회전해 회전을 유발한다.
• 모터는 반시계 3단계·정지·시계 3단계의 7가지 상태를 가지며 신호가 없으면 기저 상태로 빠르게 복귀하도록 모든 효과가 역전 가능한 조절 회로로 설계되어 있다.
• 모터 방향 전환은 CheY-p가 FliM을 기울여 부착 단백질 FliGc을 90도 회전시키는 메커니즘으로 추정되지만 완전히 밝혀지지 않았다.
• 분자 생물학은 형태 변화와 단백질 간 상호작용으로 모든 신호 전달과 조절을 설명하며, 대장균의 감각계는 인간의 냄새·시각·촉각 같은 감각기관의 원형이다.