블로그

파충류가 고형 폐기물로 물을 절약하는 방법

모든 생명체는 폐기물을 제거해야 하며, 파충류도 예외는 아닙니다. 인간의 경우 신체는 요소, 요산 및 암모니아의 형태로 소변을 통해 과도한 질소를 제거합니다. 그러나 파충류와 새는 다른 접근 방식을 취합니다. 그들은 동일한 질소 기반 화합물 중 일부를 “요산염”이라고 알려진 고체로 변환하고, 이는 배설강이라는 공유 구멍을 통해 배출됩니다. 과학자들은 이러한 고체 형태의 폐기물이 물을 보존하기 위한 적응으로 진화했다고 생각합니다. 이는 종종 건조한 환경에 사는 동물에게 귀중한 특성입니다.

인간에게 위험한 것이 뱀에게는 정상입니다

소변에서 결정을 형성하면 파충류의 생존에 도움이 되지만 동일한 과정이 사람에게 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있습니다. 사람의 요산 수치가 너무 높아지면 결정이 관절에 모여 통풍을 일으키거나 요로에 신장 결석이 형성될 수 있습니다. 파충류가 어떻게 이러한 결정을 안전하게 배설하는지 이해하기 위해 Jennifer Swift와 그녀의 연구팀은 20종 이상의 요산염을 분석했습니다.

“이 연구는 파충류가 이 물질을 안전하게 배설할 수 있는 방법을 이해하려는 열망에서 영감을 얻었으며, 질병 예방 및 치료에 대한 새로운 접근 방식에 영감을 줄 수 있기를 바랍니다.”라고 해당 연구의 교신 저자인 Swift는 설명합니다.

큰 의학적 잠재력을 지닌 미세한 구체

연구원들은 강력한 현미경을 사용하여 볼 비단뱀, 앙골라 비단뱀, 마다가스카르 나무 보아스와 같은 종들이 직경이 1~10마이크로미터 사이의 작은 질감의 구체로 구성된 요산염을 생성한다는 사실을 발견했습니다. X선 분석 결과, 이러한 미세구는 요산과 물로 만들어진 훨씬 더 작은 나노결정으로 구성되어 있는 것으로 나타났습니다. 연구팀은 또한 요산이 독성 화합물인 암모니아를 보다 안전한 고체 형태로 변환하는 데 도움이 된다는 사실을 발견했습니다. 그들은 요산이 인간에게도 유사한 보호 역할을 할 수 있다고 믿습니다. 더 많은 연구가 필요하지만 이러한 발견은 파충류 폐기물의 화학 물질이 결국 과학자들이 요산 관련 질병에 대한 더 나은 치료법을 개발하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다.

연구 지원 및 협업

이 연구는 국립과학재단, 조지타운대학교, 국제회절데이터센터, 치리카와 사막 박물관의 지원을 받았습니다.

“우리의 분석은 독특한 행성 배열을 보여줍니다. 두 개의 행성이 하나의 별을 통과하고 있고 세 번째 행성이 ​​동반 별을 통과하고 있습니다”라고 리에주 대학(ULiège)의 연구원이자 논문의 제1저자인 Sebastián Zúñiga-Fernández는 설명합니다. “이로 인해 TOI-2267은 두 별 주위를 통과하는 행성을 호스팅하는 것으로 알려진 최초의 쌍성계가 되었습니다.”

작고 특이한 더블 스타 시스템

TOI-2267은 두 개의 별이 가까운 궤도를 그리며 춤을 추고 있는 것으로 구성되어 있으며, 천문학자들이 소형 쌍성계라고 부르는 것을 형성하고 있습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 행성 형성을 방해하는 중력을 생성합니다. 그럼에도 불구하고 연구자들은 촘촘한 궤도를 돌고 있는 지구 크기의 행성 3개를 발견했습니다. 이는 암석 세계가 존재할 수 있다는 오랜 이론에 도전하는 놀라운 결과입니다.

이번 연구의 공동 리더이자 IAA-CSIC(Instituto de Astrofísica de Andalucía)의 연구원인 Francisco J. Pozuelos는 “우리의 발견은 알려진 행성이 있는 가장 작고 가장 차가운 별 쌍이며 행성이 두 구성 요소 주위를 통과하는 것으로 기록된 최초의 발견이기 때문에 여러 기록을 깨뜨렸습니다.”라고 말했습니다.

우주와 지상 관측의 결합

NASA의 TESS 우주 망원경은 이 발견으로 이어지는 데이터를 처음으로 제공했습니다. 행성 중 두 개는 처음에 ULiège와 IAA-CSIC의 천문학자들이 맞춤형 소프트웨어 도구인 SHERLOCK을 사용하여 식별했습니다. 이러한 조기 탐지는 결과를 확인하기 위해 지상 관찰을 촉발했습니다.

확인 과정에는 여러 관측소가 참여하는 큰 노력이 필요했습니다. 가장 중요한 것 중에는 ULiège(PI: Michaël Gillon)가 운영하는 SPECULOOS 및 TRAPPIST 망원경이 있습니다. 차갑고 희미한 별 주위의 작은 외계 행성을 탐지하도록 설계된 이 로봇 장비는 행성을 확인하고 그 특성을 자세히 연구하는 데 필수적이었습니다.

행성 형성을 위한 천연 테스트베드

Zúñiga-Fernández는 “이렇게 컴팩트한 쌍성계에서 지구 크기의 행성 3개를 발견하는 것은 독특한 기회입니다.”라고 말했습니다. “이를 통해 우리는 복잡한 환경에서 행성 형성 모델의 한계를 테스트하고 우리 은하계에서 가능한 행성 구조의 다양성을 더 잘 이해할 수 있습니다.”

Pozuelos는 “이 시스템은 이전에 안정성이 손상될 것이라고 생각했던 극단적인 역학적 조건에서 암석 행성이 어떻게 출현하고 생존할 수 있는지 이해하기 위한 진정한 자연 실험실입니다.”라고 덧붙였습니다.

미래 탐사를 앞두고

이 발견은 행성이 쌍성계에서 어떻게 형성되고 지속되는지에 대한 새로운 질문을 열어줍니다. JWST(James Webb Space Telescope)와 차세대 지상 관측소를 통한 향후 관측을 통해 행성의 질량, 밀도, 심지어 대기 구성과 같은 더 많은 세부 사항을 밝힐 수 있습니다.

이번 발견은 과학적 중요성 외에도 TESS와 같은 우주 기반 관측소의 데이터를 SPECULOOS 및 TRAPPIST와 같은 정밀 지상 기반 장비와 결합하는 것의 가치를 강조합니다. 그들은 함께 행성계가 은하계 전반에 걸쳐 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 우리의 이해를 계속 확장하고 있습니다.

“우리의 분석은 독특한 행성 배열을 보여줍니다. 두 개의 행성이 하나의 별을 통과하고 있고 세 번째 행성이 ​​동반 별을 통과하고 있습니다”라고 리에주 대학(ULiège)의 연구원이자 논문의 제1저자인 Sebastián Zúñiga-Fernández는 설명합니다. “이로 인해 TOI-2267은 두 별 주위를 통과하는 행성을 호스팅하는 것으로 알려진 최초의 쌍성계가 되었습니다.”

작고 특이한 더블 스타 시스템

TOI-2267은 두 개의 별이 가까운 궤도를 그리며 춤을 추고 있는 것으로 구성되어 있으며, 천문학자들이 소형 쌍성계라고 부르는 것을 형성하고 있습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 행성 형성을 방해하는 중력을 생성합니다. 그럼에도 불구하고 연구자들은 촘촘한 궤도를 돌고 있는 지구 크기의 행성 3개를 발견했습니다. 이는 암석 세계가 존재할 수 있다는 오랜 이론에 도전하는 놀라운 결과입니다.

이번 연구의 공동 리더이자 IAA-CSIC(Instituto de Astrofísica de Andalucía)의 연구원인 Francisco J. Pozuelos는 “우리의 발견은 알려진 행성이 있는 가장 작고 가장 차가운 별 쌍이며 행성이 두 구성 요소 주위를 통과하는 것으로 기록된 최초의 발견이기 때문에 여러 기록을 깨뜨렸습니다.”라고 말했습니다.

우주와 지상 관측의 결합

NASA의 TESS 우주 망원경은 이 발견으로 이어지는 데이터를 처음으로 제공했습니다. 행성 중 두 개는 처음에 ULiège와 IAA-CSIC의 천문학자들이 맞춤형 소프트웨어 도구인 SHERLOCK을 사용하여 식별했습니다. 이러한 조기 탐지는 결과를 확인하기 위해 지상 관찰을 촉발했습니다.

확인 과정에는 여러 관측소가 참여하는 큰 노력이 필요했습니다. 가장 중요한 것 중에는 ULiège(PI: Michaël Gillon)가 운영하는 SPECULOOS 및 TRAPPIST 망원경이 있습니다. 차갑고 희미한 별 주위의 작은 외계 행성을 탐지하도록 설계된 이 로봇 장비는 행성을 확인하고 그 특성을 자세히 연구하는 데 필수적이었습니다.

행성 형성을 위한 천연 테스트베드

Zúñiga-Fernández는 “이렇게 컴팩트한 쌍성계에서 지구 크기의 행성 3개를 발견하는 것은 독특한 기회입니다.”라고 말합니다. “이를 통해 우리는 복잡한 환경에서 행성 형성 모델의 한계를 테스트하고 우리 은하계에서 가능한 행성 구조의 다양성을 더 잘 이해할 수 있습니다.”

Pozuelos는 “이 시스템은 이전에 안정성이 손상될 것이라고 생각했던 극단적인 역학적 조건에서 암석 행성이 어떻게 출현하고 생존할 수 있는지 이해하기 위한 진정한 자연 실험실입니다.”라고 덧붙였습니다.

미래 탐사를 앞두고

이번 발견은 행성이 쌍성계에서 어떻게 형성되고 지속되는지에 대한 새로운 질문을 열어줍니다. JWST(James Webb Space Telescope)와 차세대 지상 관측소를 통한 향후 관측을 통해 행성의 질량, 밀도, 심지어 대기 구성과 같은 더 많은 세부 사항을 밝힐 수 있습니다.

이번 발견은 과학적 중요성 외에도 TESS와 같은 우주 기반 관측소의 데이터를 SPECULOOS 및 TRAPPIST와 같은 정밀 지상 기반 장비와 결합하는 것의 가치를 강조합니다. 그들은 함께 행성계가 은하계 전반에 걸쳐 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 우리의 이해를 계속 확장하고 있습니다.

연구팀은 JWST(James Webb Space Telescope)의 MIRI(중적외선 장비)를 사용하여 우리 은하계와 가장 가까운 이웃 은하인 대마젤란운에서 탄소 기반 화합물 5개를 식별했습니다. 메릴랜드 대학교와 NASA 과학자 Marta Sewilo가 주도한 이 연구는 천체 물리학 저널 편지 2025년 10월 20일.

외계 얼음에서 생명의 화학 성분 탐지

Sewilo의 연구팀은 어린 원시별을 둘러싸고 있는 얼음 내에서 5개의 복합 유기 분자(COM)를 발견했습니다. 여기에는 메탄올과 에탄올(두 가지 알코올 유형 모두), 메틸 포르메이트와 아세트알데히드(지구상의 산업용 화학물질), 아세트산(식초의 주성분)이 포함되었습니다. 화합물 중 하나인 아세트산은 이전에 우주 얼음에서 명확하게 관찰된 적이 없었고, 나머지 화합물인 에탄올, 메틸 포르메이트, 아세트알데히드는 은하수 밖의 얼음에서 처음으로 검출되었습니다.

연구팀은 또한 RNA 형성과 관련된 당 관련 분자인 글리콜알데히드의 징후를 발견했지만 이를 확인하려면 추가 분석이 필요합니다.

JWST의 날카로운 비전으로 우주 화학의 새 창을 열다

Sewilo는 “우리가 멀리 떨어져 있는 원시성 주변의 얼음과 관련된 희미한 스펙트럼 특징을 감지할 수 있는 것은 JWST의 탁월한 감도와 높은 각해상도 덕분입니다.”라고 말했습니다. “JWST의 스펙트럼 분해능은 신뢰할 수 있는 식별이 가능하도록 충분히 높습니다.”

Webb 망원경 이전에는 메탄올이 원시별 주변의 얼음에서 확인된 유일한 복합 유기 분자였습니다. 심지어 우리 은하계에서도 마찬가지였습니다. Sewilo에 따르면, 새로운 데이터의 뛰어난 정밀도 덕분에 그녀의 팀은 단일 스펙트럼에서 전례 없는 양의 정보를 추출할 수 있었습니다.

생명의 기원을 연구하는 가혹한 은하계

이번 발견은 분자가 발견된 위치 때문에 특히 놀랍습니다. 지구에서 약 160,000광년 떨어진 곳에 위치한 대마젤란운은 초기 우주와 유사한 조건에서 별이 어떻게 형성되는지 연구하기에 이상적인 환경입니다. 이 작은 은하는 우리 태양계의 중원소(원자번호가 헬륨보다 큰 원소)의 약 1/3에서 1/2에 불과하며 훨씬 더 강한 자외선 복사를 견뎌냅니다.

Sewilo는 “낮은 금속성 환경, 즉 수소와 헬륨보다 무거운 원소의 양이 줄어든다는 것은 초기 우주 시대의 은하계와 유사하기 때문에 흥미롭다”고 설명했습니다. “우리가 대마젤란운에서 배운 내용은 우주가 훨씬 더 젊었을 때부터 더 먼 은하계를 이해하는 데 적용할 수 있습니다. 가혹한 조건은 화학 반응에 사용할 수 있는 탄소, 질소, 산소와 같은 중원소가 훨씬 적은 원시 환경에서 얼마나 복잡한 유기 화학이 발생할 수 있는지에 대해 더 많이 알려줍니다.”

우주 먼지에서 복잡한 분자가 형성되는 방식

연구 공동 저자인 네덜란드 라이덴 대학의 Will Rocha는 COM이 기체 상태와 성간 먼지 입자를 코팅하는 얼음 층 모두에서 형성될 수 있다고 지적했습니다. 일단 형성되면 이러한 얼음은 나중에 분자를 다시 가스로 방출할 수 있습니다. 메탄올과 포름산 메틸은 이미 대마젤란운 내의 기체 상태에서 관찰되었지만, 이는 그러한 분자가 고체 얼음 자체에서도 형성되고 있다는 최초의 증거입니다.

Rocha는 “얼음 속의 COM 탐지는 이러한 결과를 뒷받침합니다.”라고 말했습니다. “대마젤란 구름에서 얼음 COM이 발견된 것은 이러한 반응이 태양 근처보다 훨씬 더 가혹한 환경에서 효과적으로 COM을 생성할 수 있다는 증거를 제공합니다.”

생명의 성분은 우주 초기에 형성되었을 수 있습니다

초기 우주에서 발견된 것과 유사한 낮은 금속성 환경에서 이러한 복잡한 분자의 존재는 생명체의 구성 요소가 과학자들이 한때 생각했던 것보다 훨씬 더 일찍, 그리고 더 넓은 범위의 조건에서 형성되기 시작했을 수 있음을 시사합니다.

이 발견은 생명체가 다른 곳에 존재한다는 것을 증명하지는 않지만, 유기 화합물이 행성 형성 과정을 견딜 수 있고 잠재적으로 젊은 행성에 통합되어 언젠가 생명체가 나타날 수 있는 조건을 만들 수 있음을 나타냅니다.

우주 화학 검색 확장

Sewilo와 그녀의 공동 연구자들은 대마젤란운과 소마젤란 구름 모두에서 더 많은 원시별을 조사하여 이러한 분자가 얼마나 널리 퍼져 있는지 탐구함으로써 연구를 확장할 계획입니다.

Sewilo는 “우리는 현재 대마젤란운에 하나의 광원만 갖고 있고 은하수 얼음에 있는 이러한 복잡한 유기 분자를 탐지할 수 있는 광원은 4개뿐입니다. 이 두 은하 사이의 COM 풍부도의 차이를 나타내는 초기 결과를 확인하려면 두 곳에서 더 큰 샘플이 필요합니다”라고 Sewilo는 말했습니다. “그러나 이번 발견으로 우리는 우주에서 어떻게 복잡한 화학이 나타나는지 이해하고 생명이 어떻게 탄생했는지에 대한 새로운 연구 가능성을 여는 데 있어 상당한 발전을 이루었습니다.”

공상 과학 소설처럼 들릴 수도 있지만, 이 획기적인 발전은 현실입니다. Davide Bossini가 이끄는 콘스탄츠 대학의 물리학자 팀은 이를 가능하게 하는 실험 기술을 개발했습니다. 레이저 펄스를 사용하여 마그논 쌍(스핀파의 양자)을 일관되게 자극함으로써 연구원들은 정보 기술과 양자 연구 모두에 영향을 미칠 수 있는 놀라운 효과를 달성했습니다. 그들의 연구 결과는 과학 발전.

마그논 기반 기술

더 깊이 들어가기 전에 마그논이 무엇인지, 왜 중요한지 이해하는 것이 도움이 됩니다. 현대 사회는 인공지능과 ‘사물인터넷’을 통해 엄청난 양의 데이터를 생성합니다. 현재의 정보 시스템은 이미 압박을 받고 있으며 데이터 병목 현상으로 인해 기술 발전이 둔화될 위험이 있습니다.

제안된 해결책 중 하나는 정보를 전달하기 위해 전자 스핀, 더 나아가 함께 움직이는 많은 스핀의 파동을 사용하는 것입니다. 이러한 집단적 스핀 진동을 마그논이라고 합니다. 이는 파동처럼 행동하고 레이저로 조작할 수 있어 잠재적으로 테라헤르츠 주파수에서 데이터 전송 및 저장이 가능합니다.

그러나 지금까지 과학자들은 빛을 사용하여 가장 낮은 주파수에서만 마그논을 자극할 수 있었기 때문에 잠재력이 제한되었습니다. 미래 기술에 마그논을 활용하려면 연구자는 마그논의 주파수, 진폭 및 수명을 조정할 수 있어야 합니다. Konstanz 팀은 이제 정확히 이를 수행할 수 있는 방법을 찾았습니다. 물질의 최고 주파수 자기 공명인 마그논 쌍을 직접 자극함으로써 그들은 강력하고 새로운 형태의 제어를 발견했습니다.

엄청난 놀라움

Davide Bossini는 “이 결과는 우리에게 매우 놀라운 일이었습니다. 어떤 이론도 이를 예측한 적이 없습니다.”라고 말했습니다. 프로세스가 작동할 뿐만 아니라 놀라운 효과도 있습니다. 레이저 펄스를 통해 고주파수 마그논 쌍을 구동함으로써 물리학자들은 비열적 방식으로 다른 마그논의 주파수와 진폭, 즉 재료의 자기 특성을 변경하는 데 성공했습니다. “모든 고체에는 전자 전이, 격자 진동, 자기 여기 등 고유한 주파수 세트가 있습니다. 모든 재료는 고유한 방식으로 공명합니다.”라고 Bossini는 설명합니다. 새로운 프로세스를 통해 영향을 받을 수 있는 것은 바로 이 주파수 집합입니다. “이것은 물질의 성질, 즉 물질의 ‘자기 DNA’, 즉 ‘지문’을 변화시킵니다. 당분간은 사실상 새로운 특성을 지닌 다른 물질이 되었습니다.”라고 Bossini는 말합니다.

“이 효과는 레이저 여기로 인한 것이 아닙니다. 원인은 온도가 아니라 빛입니다.”라고 Bossini는 확인합니다. “우리는 비열적 방식으로 재료의 주파수와 특성을 변경할 수 있습니다.” 장점은 분명합니다. 이 방법은 열 축적으로 인해 시스템이 느려지지 않고 미래의 데이터 저장과 테라헤르츠 속도의 빠른 데이터 전송에 사용될 수 있습니다.

이 공정의 기초로 뛰어난 첨단 기술 재료나 희토류가 필요하지 않으며 오히려 자연적으로 성장한 결정, 즉 철광석 적철광이 필요합니다. “헤마타이트(Haematite)는 널리 퍼져 있습니다. 수세기 전에 이미 항해용 나침반으로 사용되었습니다”라고 Bossini는 설명합니다. 이제 적철석이 미래의 양자 연구에도 사용될 가능성은 충분히 있습니다. Konstanz 팀의 결과는 새로운 방법을 사용하여 연구원들이 실온에서 빛에 의해 유도된 고에너지 마그논의 보스-아인슈타인 응축물을 생성할 수 있음을 시사합니다. 이는 광범위한 냉각 없이도 양자 효과를 연구할 수 있는 길을 열어줄 것입니다. 마술처럼 들리지만 이는 단지 기술과 최첨단 연구일 뿐입니다.

이 프로젝트는 공동 연구 센터 SFB 1432 “균형을 넘어서는 고전 및 양자 물질의 변동 및 비선형성”의 맥락에서 수행되었습니다.

멜라닌 세포 줄기 세포(McSC)는 머리카락과 피부의 색을 담당하는 색소 생성 세포인 멜라닌 세포를 생성하는 특수 세포입니다. 포유동물에서 이러한 줄기세포는 모낭의 돌출부-하부-팽대부 영역으로 알려진 부위에서 발견됩니다. 여기에서는 미성숙 멜라닌모세포로 존재하여 반복적인 재생 주기를 통해 머리카락과 피부가 색상을 유지하도록 보장합니다.

DNA 손상이 어떻게 머리 백발을 유발하는지 발견

2025년 10월 6일 온라인 출판 자연 세포 생물학도쿄 대학의 Emi Nishimura 교수와 Yasuaki Mohri 조교수가 주도한 연구에서는 McSC가 다양한 유형의 DNA 손상에 어떻게 반응하는지 탐구했습니다. 연구진은 생쥐의 장기 계통 추적 및 유전자 발현 프로파일링을 사용하여 McSC가 DNA 이중 가닥 절단을 경험할 때 노화 결합 분화(seno-분화)로 알려진 과정을 겪는다는 사실을 발견했습니다. 이 상태에서는 줄기세포가 영구적으로 성숙하다가 결국 소실되어 머리카락이 회색으로 변하게 됩니다. 이 과정은 p53-p21 신호 전달 경로의 활성화에 의해 제어됩니다.

McSC가 7,12-디메틸벤즈(a)안트라센 또는 자외선 B 방사선을 포함한 특정 발암 물질에 노출되면 동일한 보호 경로를 따르지 않습니다. DNA 손상이 존재하더라도 이들 세포는 세노분화를 피하고 계속해서 스스로 재생됩니다. 대신 주변 조직과 표피에서 방출되는 KIT 리간드 신호의 도움을 받아 클론으로 확장됩니다. 이러한 틈새에서 파생된 신호는 보호 분화 반응을 차단하여 줄기세포를 암에 취약한 상태로 만듭니다.

반대되는 세포 운명: 노화 또는 암

Nishimura에 따르면, “이러한 발견은 동일한 줄기 세포 집단이 스트레스 유형과 미세 환경 신호에 따라 길항적 운명(고갈 또는 확장)을 따를 수 있음을 보여줍니다.” 그녀는 “이는 흰머리와 흑색종을 관련 없는 사건이 아니라 줄기세포 스트레스 반응의 다양한 결과로 재구성합니다”라고 덧붙였습니다.

연구진은 이번 연구 결과가 흰머리가 발생하는 것이 암을 예방한다는 것을 의미하지는 않는다고 강조했습니다. 대신, 세노 분화는 손상된 줄기 세포가 유해해지기 전에 제거하는 스트레스 유발 방어 메커니즘 역할을 하는 것으로 보입니다. 이 보호 장치가 실패하거나 우회되면 손상된 세포가 살아남아 잠재적으로 흑색종으로 이어질 수 있습니다.

노화, 암 및 세포 자기 파괴의 연결

줄기세포가 보호적 고갈을 겪는지 위험한 확장을 겪는지 여부를 결정하는 분자 경로를 밝혀냄으로써 이 연구는 조직 노화의 생물학을 암 형성과 연결합니다. 또한 악성으로 변할 수 있는 세포를 희생시켜 암을 예방하는 데 도움이 되는 생물학적 과정인 ‘세놀리시스’를 통해 손상된 줄기 세포를 자연적으로 제거하는 것의 가치를 강조합니다.

EKN은 노화와 장수의 메커니즘을 밝히고 제어하기 위한 AMED 프로젝트(JP22gm1710003-JP25gm1710003), 과학 연구(S)(25H00439)를 위한 JSPS 보조금 지원을 받습니다. (JP17gm5010002-JP21gm5010002), 세계 최고의 백신 연구 개발 센터를 위한 AMED SCARDA 일본 이니셔티브(JP223fa627001), 과학 연구를 위한 JSPS 보조금(A)(20H00532) 및 혁신적인 분야의 과학 연구를 위한 JSPS 보조금 ‘줄기세포 노화와 질병'(26115003), 2025년도 국제공동연구과제 선정(번호:K25-1185).

Yasuaki Mohri는 JSPS 젊은 과학자를 위한 보조금(18K15114) 및 JSPS 과학 연구를 위한 보조금(C)(25K10315)의 지원을 받습니다.

Jun Seita는 노화와 장수의 메커니즘을 규명하고 제어하기 위한 AMED 프로젝트(JP19gm5010003, JP20gm5010003)와 과학 연구를 위한 JSPS 보조금(C)(18K08377)의 지원을 받습니다.

멜라닌 세포 줄기 세포(McSC)는 머리카락과 피부의 색을 담당하는 색소 생성 세포인 멜라닌 세포를 생성하는 특수 세포입니다. 포유동물에서 이러한 줄기세포는 모낭의 돌출부-하부-팽대부 영역으로 알려진 부위에서 발견됩니다. 여기에서는 미성숙 멜라닌모세포로 존재하여 반복적인 재생 주기를 통해 머리카락과 피부가 색상을 유지하도록 보장합니다.

DNA 손상이 어떻게 머리 백발을 유발하는지 발견

2025년 10월 6일 온라인 출판 자연 세포 생물학도쿄 대학의 Emi Nishimura 교수와 Yasuaki Mohri 조교수가 주도한 연구에서는 McSC가 다양한 유형의 DNA 손상에 어떻게 반응하는지 탐구했습니다. 연구진은 생쥐의 장기 계통 추적 및 유전자 발현 프로파일링을 사용하여 McSC가 DNA 이중 가닥 절단을 경험할 때 노화 결합 분화(seno-분화)로 알려진 과정을 겪는다는 사실을 발견했습니다. 이 상태에서는 줄기세포가 영구적으로 성숙하다가 결국 소실되어 머리카락이 회색으로 변하게 됩니다. 이 과정은 p53-p21 신호 전달 경로의 활성화에 의해 제어됩니다.

McSC가 7,12-디메틸벤즈(a)안트라센 또는 자외선 B 방사선을 포함한 특정 발암 물질에 노출되면 동일한 보호 경로를 따르지 않습니다. DNA 손상이 존재하더라도 이들 세포는 세노분화를 피하고 계속해서 스스로 재생됩니다. 대신 주변 조직과 표피에서 방출되는 KIT 리간드 신호의 도움을 받아 클론으로 확장됩니다. 이러한 틈새에서 파생된 신호는 보호 분화 반응을 차단하여 줄기세포를 암에 취약한 상태로 만듭니다.

반대되는 세포 운명: 노화 또는 암

Nishimura에 따르면, “이러한 발견은 동일한 줄기 세포 집단이 스트레스 유형과 미세 환경 신호에 따라 길항적 운명(고갈 또는 확장)을 따를 수 있음을 보여줍니다.” 그녀는 “이는 흰머리와 흑색종을 관련 없는 사건이 아니라 줄기세포 스트레스 반응의 다양한 결과로 재구성합니다”라고 덧붙였습니다.

연구진은 이번 연구 결과가 흰머리가 발생하는 것이 암을 예방한다는 것을 의미하지는 않는다고 강조했습니다. 대신, 세노 분화는 손상된 줄기 세포가 유해해지기 전에 제거하는 스트레스 유발 방어 메커니즘 역할을 하는 것으로 보입니다. 이 보호 장치가 실패하거나 우회되면 손상된 세포가 살아남아 잠재적으로 흑색종으로 이어질 수 있습니다.

노화, 암 및 세포 자기 파괴의 연결

줄기세포가 보호적 고갈을 겪는지 위험한 확장을 겪는지 여부를 결정하는 분자 경로를 밝혀냄으로써 이 연구는 조직 노화의 생물학을 암 형성과 연결합니다. 또한 악성으로 변할 수 있는 세포를 희생시켜 암을 예방하는 데 도움이 되는 생물학적 과정인 ‘세놀리시스’를 통해 손상된 줄기 세포를 자연적으로 제거하는 것의 가치를 강조합니다.

EKN은 노화와 장수의 메커니즘을 밝히고 제어하기 위한 AMED 프로젝트(JP22gm1710003-JP25gm1710003), 과학 연구(S)(25H00439)를 위한 JSPS 보조금 지원을 받습니다. (JP17gm5010002-JP21gm5010002), 세계 최고의 백신 연구 개발 센터를 위한 AMED SCARDA 일본 이니셔티브(JP223fa627001), 과학 연구를 위한 JSPS 보조금(A)(20H00532) 및 혁신적인 분야의 과학 연구를 위한 JSPS 보조금 ‘줄기세포 노화와 질병'(26115003), 2025년도 국제공동연구과제 선정(번호:K25-1185).

Yasuaki Mohri는 JSPS 젊은 과학자를 위한 보조금(18K15114) 및 JSPS 과학 연구를 위한 보조금(C)(25K10315)의 지원을 받습니다.

Jun Seita는 노화와 장수의 메커니즘을 규명하고 제어하기 위한 AMED 프로젝트(JP19gm5010003, JP20gm5010003)와 과학 연구를 위한 JSPS 보조금(C)(18K08377)의 지원을 받습니다.

2023년에 천문학자들은 극적인 사건을 목격했습니다. 두 개의 엄청나게 거대한 블랙홀이 약 70억 광년 떨어진 곳에서 충돌했습니다. 그들의 엄청난 크기와 빠른 회전은 설명을 거부했습니다. 기존 이론에 따르면, 이러한 블랙홀은 단순히 존재해서는 안 됩니다.

Flatiron Institute의 전산 천체 물리학 센터(CCA)와 파트너 기관의 연구원들은 이제 그러한 우주 거인들이 어떻게 형성되고 결국 충돌할 수 있는지 밝혀냈습니다. 이러한 블랙홀을 생성한 별의 수명주기를 추적함으로써 팀은 이전 모델에서는 오랫동안 간과되었던 자기장이 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했습니다.

“아무도 우리가 했던 방식으로 이러한 시스템을 고려하지 않았습니다. 이전에는 천문학자들이 지름길을 선택하고 자기장을 무시했습니다.”라고 CCA의 천체 물리학자이자 이번 연구의 주요 저자인 Ore Gottlieb는 설명합니다. 천체 물리학 저널 편지. “그러나 일단 자기장을 고려하면 실제로 이 독특한 사건의 기원을 설명할 수 있습니다.”

블랙홀 이론에 도전한 2023년 충돌

현재 GW231123으로 알려진 우주 충돌은 중력파(거대한 천체 운동에 의해 생성되는 시공간 파동)를 측정하는 LIGO-Virgo-KAGRA 관측소에 의해 감지되었습니다.

발견 당시 천문학자들은 어떻게 그렇게 거대하고 빠르게 회전하는 블랙홀이 형성되었는지 이해할 수 없었습니다. 거대한 별이 연료를 모두 소모하면 일반적으로 초신성으로 붕괴 및 폭발하여 더 작은 블랙홀을 남깁니다. 그러나 특정 질량 범위 내의 별은 별을 완전히 파괴하는 쌍불안정성 초신성이라는 특히 폭력적인 유형의 폭발을 경험합니다.

“이러한 초신성의 결과로 우리는 블랙홀이 대략 태양 질량의 70~140배 사이에 형성될 것으로 예상하지 않습니다”라고 Gottlieb은 말합니다. “그래서 이 틈 안에 질량이 있는 블랙홀을 보는 것은 당혹스러웠습니다.”

시뮬레이션을 통해 직장에 숨겨진 힘이 드러난다

한 가지 가능한 설명은 이 “질량 격차” 내의 블랙홀이 더 작은 블랙홀의 합병을 통해 간접적으로 형성된다는 것입니다. 그러나 GW231123의 경우에는 그럴 것 같지 않았습니다. 합병은 일반적으로 혼란스럽고 결과적으로 생성되는 블랙홀의 회전을 방해합니다. 그러나 GW231123에 관련된 두 개의 블랙홀은 빛의 속도에 가까운 회전을 하고 있었습니다. 이는 지금까지 관측된 것 중 가장 빠른 속도로, 그러한 시나리오는 불가능합니다.

수수께끼를 풀기 위해 Gottlieb과 그의 팀은 2단계 시뮬레이션을 수행했습니다. 첫째, 그들은 태양 질량의 250배에 달하는 거대한 별의 삶과 죽음을 모델로 삼았습니다. 초신성으로 폭발할 때까지 이 별은 이론적인 질량 격차 바로 위인 약 150 태양질량으로 줄어들 만큼 충분한 연료를 태워 블랙홀을 남겼습니다.

다음 단계에서는 그림에 자기장이 도입되었습니다. 이 모델은 초신성의 잔재, 즉 자기장을 포함하는 소용돌이치는 별 잔해 구름과 중심에 새로 태어난 블랙홀에서 시작되었습니다. 이전 이론에서는 남은 모든 물질이 블랙홀에 떨어질 것이라고 가정했지만 새로운 시뮬레이션에서는 다른 그림이 그려졌습니다.

자기가 붕괴하는 별의 운명을 바꾸는 방법

붕괴하는 별이 회전하지 않으면 주변 물질은 블랙홀로 곧장 떨어집니다. 그러나 별이 빠르게 회전하면 그 물질은 블랙홀 주위에 디스크를 형성하여 시간이 지남에 따라 블랙홀에 영양을 공급하고 회전을 증가시킵니다. 그러나 자기장은 이 과정을 방해합니다. 그들의 압력은 물질의 일부를 거의 빛의 속도로 바깥쪽으로 폭발시켜 물질이 떨어지는 것을 방지할 수 있습니다.

이러한 물질 방출은 블랙홀이 흡수하는 물질의 양을 감소시킵니다. 자기장이 강할수록 더 많은 질량이 방출됩니다. 극단적인 경우에는 이러한 유출로 인해 원래 별 질량의 최대 절반이 손실될 수 있습니다. 팀의 시뮬레이션에서 이 메커니즘은 한때 “금지된” 범위 내에 질량이 떨어지는 블랙홀을 자연스럽게 생성했습니다.

“우리는 회전과 자기장의 존재가 별의 붕괴 후 진화를 근본적으로 변화시켜 블랙홀 질량을 잠재적으로 붕괴하는 별의 전체 질량보다 훨씬 낮게 만들 수 있다는 것을 발견했습니다.”라고 Gottlieb은 말합니다.

블랙홀 질량과 회전의 연결

결과는 블랙홀의 질량과 회전 속도 사이의 흥미로운 관계를 지적합니다. 자기장이 강할수록 블랙홀의 회전 속도가 느려지고 더 많은 별 질량이 제거되어 더 작고 느린 블랙홀이 생성될 수 있습니다. 반면에 약한 장에서는 더 무겁고 빠르게 회전하는 장을 형성할 수 있습니다. 이 패턴은 질량과 스핀을 연결하는 더 넓은 법칙을 밝힐 수 있으며, 이는 미래의 관찰을 통해 확인될 수 있습니다.

현재 알려진 다른 블랙홀 시스템은 이 연결을 테스트할 수 없지만 천문학자들은 향후 탐지를 통해 GW231123과 같은 더 많은 사례가 발견되기를 바라고 있습니다.

가장 어두운 사건으로부터의 빛의 폭발

시뮬레이션은 또한 이러한 자기 과정이 블랙홀 형성 중에 감마선 폭발을 생성한다고 예측합니다. 이러한 감마선 섬광을 감지하면 이론을 확인하고 이러한 거대한 블랙홀이 실제로 얼마나 흔한지 보여주는 데 도움이 될 수 있습니다.

만약 검증된다면, 이러한 발견은 “불가능한” 충돌을 설명할 뿐만 아니라 과학자들이 우주의 가장 극단적이고 매혹적인 물체 중 하나를 이해하는 방식을 바꿀 것입니다.

자연적으로 나타나는 생명체의 가능성 없는 가능성

이 연구는 그럴듯한 프리바이오틱스 조건 하에서 조직화된 생물학적 정보가 형성되는 것이 얼마나 엄청나게 어려운지 조사합니다. Endres는 이를 페이지에 임의의 문자를 던져서 선도적인 과학 웹사이트에 일관된 기사를 작성하려고 시도하는 것과 비교하여 이를 설명합니다. 복잡성이 증가함에 따라 성공 확률은 빠르게 거의 0으로 떨어집니다.

이 문제를 탐구하기 위해 Endres는 정보 이론과 알고리즘 복잡성의 원리를 적용하여 원시 세포로 알려진 최초의 단순 세포가 기본 화학 성분으로 스스로 조립되는 데 필요한 것이 무엇인지 추정했습니다. 이 접근법은 그러한 과정이 자연적으로 일어날 가능성이 놀라울 정도로 낮다는 것을 보여주었습니다.

기회만으로는 충분하지 않은 이유

이번 발견은 무작위 화학 반응과 자연적 과정이 초기 지구에서 제한된 시간 내에 생명체가 어떻게 출현했는지 완전히 설명하지 못할 수도 있음을 시사합니다. 시스템은 본질적으로 무질서해지는 경향이 있기 때문에 생명에 필요한 복잡한 분자 조직을 구축하는 것은 큰 도전이었을 것입니다.

이것이 생명의 기원이 불가능하다는 것을 의미하는 것은 아니지만, 엔드레스는 현재의 과학 모델에 핵심 요소가 빠져 있을 수 있다고 주장합니다. 그는 무생물에서 생명이 출현하는 이면의 물리적 원리를 규명하는 것이 생물물리학에서 해결되지 않은 가장 큰 문제 중 하나라고 강조합니다.

투기적 대안을 고려하다

이 연구는 또한 프란시스 크릭(Francis Crick)과 레슬리 오르겔(Leslie Orgel)이 제안한 논란의 여지가 있는 아이디어인 지향성 범정자론(directed panspermia)에 대해서도 간략하게 고려합니다. 이 가설은 진보된 외계 문명에 의해 의도적으로 지구에 생명체가 도입되었을 수 있음을 시사합니다. Endres는 이 아이디어가 논리적으로 가능하다는 점을 인정하지만 이는 단순한 설명을 선호하는 원칙인 Occam의 면도날에 어긋난다고 지적합니다.

자연적 기원을 배제하는 대신, 연구는 그 과정이 얼마나 어려웠을지를 정량화하는 방법을 제공합니다. 이는 생명에 대한 막대한 정보 및 조직적 장벽을 극복하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 물리적 법칙이나 메커니즘의 잠재적인 필요성을 지적합니다. 이 연구는 생명체가 어떻게 발생할 수 있는지에 대한 보다 수학적인 근거를 갖춘 이해를 향한 중요한 움직임을 나타냅니다.

계속되는 미스터리

이 연구는 과학에서 가장 심오한 질문 중 일부가 여전히 답을 얻지 못한 채 남아 있음을 상기시켜줍니다. 연구자들은 수학과 생물학을 결합함으로써 인류의 가장 오래된 미스터리 중 하나인 존재 자체가 어떻게 시작되었는지에 대한 새로운 통찰력을 발견하기 시작했습니다.

Universe Today에 원래 게시된 기사를 각색했습니다.