뇌도 없는 단세포 세균이 냄새 맡고 먹이 찾는 소름 돋는 원리

요약 뇌도 없고 신경계도 없는 단세포 생물인 대장균(E. coli)이 어떻게 영양분을 찾아 똑똑하게 헤엄쳐 다니는지 그 원리를 심층 분석한 글이 주목받고 있습니다. 이 현상은 화학물질의 농도를 감지해 이동 방향을 결정하는 '화학주성(Chemotaxis)'이라 불리며, 생명체가 정보를 처리하는 가장 원초적인 형태의 지능으로 꼽힙니다. 대장균 표면에는 긴 채찍 형태의 편모를 돌리는 모터 수개가 달려 있습니다. 모든 모터가 같은 방향으로 회전하면 꼬리들이 밧줄처럼 하나로 뭉쳐지며 앞으로 곧게 나아가는 '직진(Run)'을 하고, 단 하나라도 역회전하면 꼬리가 풀리면서 무작위 방향으로 뱅글뱅글 도는 '텀블(Tumble)'을 일으킵니다. 평상시 대장균은 약 1초간 직진한 뒤 0.1초 정도 텀블을 반복하며 무작위로 탐색하지만, 먹이(유인 물질) 농도가 짙어지는 것을 감지하면 텀블을 줄이고 직진 시간을 획기적으로 늘려 목표 지점으로 파고듭니다. 이 정교한 조절의 핵심은 세포질을 떠돌아다니는 'CheY'라는 신호 전달 단백질입니다. 수용체(코)와 상호작용해 인산화된 CheY-p는 모터에 달라붙어 역회전(텀블)을 유도하는데, 대장균의 수용체가 유인 물질 농도 증가를 감지하면 CheY의 인산화 반응이 차단됩니다. 그 결과 모터에 결합하는 CheY-p가 줄어들면서 텀블이 억제되고 긴 직진 주행이 이어지는 원리입니다. 놀라운 점은 이 단순해 보이는 화학 회로의 증폭 및 적응 능력입니다. 대장균은 수용체 점유율이 겨우 2%만 변해도 모터 출력은 100% 바뀌는 등 신호를 50배 이상 증폭해 세포당 분자 서너 개의 극미량 차이도 알아챕니다. 게다가 새로운 농도에 도달하면 메틸기를 이용해 감각 기준점을 재설정함으로써, 무려 10만 배(5 orders of magnitude)에 달하는 폭넓은 농도 범위에서도 먹이를 향해 기민하게 움직입니다. 한 줌의 화학물질 덩어리가 마치 초소형 컴퓨터처럼 작동하는 생명의 신비로운 메커니즘입니다.