기후를 파괴한다고 알려진 이산화탄소는 실제로 세포에 이롭습니다

우리 몸의 세포는 분주한 도시와 같으며, 과산화수소(H₂O₂)를 사용하여 엉망진창을 치우는 것뿐만 아니라 중요한 신호를 보내는 데도 사용하는 철분 구동 시스템으로 운영됩니다. 일반적으로 이것은 잘 작동하지만 염증이나 에너지 사용의 폭발과 같은 스트레스가 발생하면 산화 스트레스가 유전자 수준에서 세포를 손상시킵니다.

이는 철과 H₂O₂가 펜톤 반응이라고 알려진 반응에서 반응하여 히드록실 라디칼을 생성하기 때문입니다. 히드록실 라디칼은 DNA와 RNA를 무차별적으로 공격하는 파괴적인 분자입니다. 하지만 여기에는 함정이 있습니다. 이산화탄소(지구 기후 체계를 교란하는 성가신 가스)가 있는 경우, 우리 세포는 중탄산염이라는 비밀 무기를 얻게 되는데, 이는 pH 수치를 균형 있게 유지하는 데 도움이 됩니다.

유타 대학 화학자 팀은 중탄산염이 pH 완충제 역할을 할 뿐만 아니라 세포에서 펜톤 반응 자체도 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 이 반응은 혼란스러운 하이드록실 라디칼을 생성하는 대신 탄산염 라디칼을 생성하는데, 이는 DNA에 훨씬 덜 해로운 영향을 미친다고 저명한 화학 교수이자 이번 주 PNAS에 발표된 연구의 수석 저자인 신시아 버로스가 말했습니다.

"많은 질병, 많은 상태가 질병의 구성 요소로서 산화 스트레스를 가지고 있습니다. 여기에는 많은 암, 사실상 모든 연령 관련 질병, 많은 신경계 질환이 포함됩니다." 버로스는 말했습니다. "우리는 산화 스트레스 하에서 세포의 기본적인 화학을 이해하려고 노력하고 있습니다. 우리는 CO₂의 보호 효과에 대해 정말 심오하다고 생각하는 것을 배웠습니다."

공동 저자로는 버로우스 연구실 소속 연구 조교수인 에런 플레밍과 박사과정 학생인 저스틴 딩먼이 있습니다.

실험적 DNA 산화 반응에 중탄산염이나 CO₂가 없다면 화학도 다릅니다. 생성된 자유 라디칼 종인 하이드록실 라디칼은 극도로 반응성이 강하고 산탄총처럼 DNA를 강타하여 모든 곳에 손상을 입힌다고 버로스는 말했습니다.

반면, 그녀의 연구팀의 연구 결과에 따르면 용해된 CO₂에 중탄산염이 존재하면 반응이 바뀌어 유전 코드의 G인 구아닌에만 작용하는 약한 라디칼이 생성된다는 것이 밝혀졌습니다.

"G가 표적의 중심인 표적에 다트를 던지는 것과 같습니다." 버로스가 말했다. "중탄산염은 세포 내부의 주요 완충액인 것으로 밝혀졌습니다. 중탄산염은 철과 결합하고 펜톤 반응을 완전히 바꿉니다. 수십 년 동안 모두가 연구해 온 이런 매우 반응성이 높은 라디칼은 만들지 않습니다."

이러한 발견은 과학에 어떤 의미를 갖나요? 잠재적으로 많은 것을 의미합니다.

우선, 이 팀의 발견은 세포가 이전에 상상했던 것보다 훨씬 더 똑똑하다는 것을 보여주는데, 이는 산화 스트레스와 암이나 노화와 같은 질병에서 산화 스트레스의 역할을 이해하는 방식을 바꿀 수 있습니다.

하지만 세포 손상을 연구하는 많은 과학자들이 실제 세계를 반영하지 않는 방식으로 실험실 실험을 수행하여 결과를 의심스럽게 만들었을 가능성도 제기된다고 버로스는 말했습니다. 화학자와 생물학자는 어디에서나 섭씨 37도, 즉 체온으로 설정된 인큐베이터에서 조직 배양으로 세포를 키웁니다. 이러한 배양에서 이산화탄소 수준은 5%로 상승하는데, 이는 대기에서 발견되는 것보다 약 100배 더 농축된 것입니다.

증가된 CO₂는 세포가 영양소를 대사할 때 일반적으로 거주하는 환경을 재현하지만, 연구자들이 인큐베이터 밖에서 실험을 시작하면 이러한 CO₂가 손실됩니다.

"맥주 캔을 여는 것과 마찬가지입니다. 세포를 인큐베이터에서 꺼낼 때 CO₂가 방출됩니다. 하루 된 맥주 한 잔으로 실험을 하는 것과 같습니다. 꽤 평평합니다. CO₂, 중탄산염 완충액을 잃었습니다." 버로스가 말했습니다. "더 이상 철-과산화수소 반응을 조절하는 CO₂의 보호 기능이 없습니다."

그녀는 이런 실험에서 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면 중탄산염을 추가해야 한다고 생각합니다.

"대부분의 사람들은 DNA 산화를 연구할 때 중탄산염/이산화탄소를 제외합니다. 이산화탄소의 지속적인 가스 방출을 처리하기 어렵기 때문입니다." 버로스가 말했습니다. "이러한 연구는 신진대사와 같은 정상적인 세포 과정에서 발생하는 DNA 손상에 대한 정확한 그림을 얻으려면 연구자들이 세포의 적절한 조건을 모방하고 중탄산염, 즉 베이킹파우더를 추가하는 데 주의해야 한다는 것을 시사합니다!"

버로스는 그녀의 연구가 언젠가 다른 분야의 연구에 도움이 될 수 있는 의도치 않은 결과를 가져올 수 있다고 예상합니다. 예를 들어, 그녀의 연구실은 우주선 내부와 잠수함과 같이 밀폐된 공간에 갇힌 사람들에게 CO₂가 미치는 영향을 연구하기 위해 NASA로부터 새로운 자금을 모색하고 있습니다.

"캡슐에 우주인이 살고 숨쉬고 있고, 그들은 CO₂를 내쉬고 있습니다. 문제는 그들이 대기에서 얼마나 많은 CO₂를 안전하게 처리할 수 있는가입니다. 우리가 발견한 것 중 하나는 적어도 조직 배양 측면에서 CO₂가 우주인이 경험할 수 있는 일부 방사선 손상으로부터 보호 효과가 있다는 것입니다. 따라서 CO₂ 수준을 높이는 것이 좋습니다. 물론 너무 높게 올리고 싶지는 않지만, 약간 더 높이면 실제로 하이드록실 라디칼을 생성하는 방사선에 대한 보호 효과가 있을 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241126191736.htm