물방울이 살아나다
Viewpoint: Droplets Come to Life

세포 내에서의 상분리는 화학적 활동이 세포 기능에 기여하고 생명의 기원을 암시하는 놀라운 이동성으로 이어지는 물방울을 만든다.

물방울은 일상적인 현상이다. 우리는 그것들이 어떻게 비로 내리고 창유리를 따라 미끄러져 내려오는지 직관적으로 이해한다. 화학 반응에 의해 연료가 공급되는 소위 활성 방울의 행동은 덜 친숙하고 직관적이다. 그럼에도 불구하고, 활성 방울은 우리 몸의 모든 세포에서 무수한 생체 분자와 그들의 반응을 구성하는 데 결정적이다. 독일 뮌헨의 Ludwig Maximilian University의 Leonardo Demarchi와 그의 동료들은 이제 이 활성 방울들이 자율적으로 움직이거나 제한된 벽 사이에서 진동할 수 있다는 것을 증명했다. 그러한 행동들은 생명체가 어떻게 무생물에서 나왔는지에 대한 단서를 제공할 수 있다.

생물학적 세포는 서로 밀치고 반응하는 수천 가지 다른 종류의 생체 분자를 포함하고 있다. 이러한 복잡성에도 불구하고, 세포는 강건한 행동을 보이며 수많은 외부 도전에 대응한다. 지금까지, 우리는 이 복잡한 시스템의 아주 작은 부분만을 이해하고 있으며 어떻게 생명을 가능하게 하는 복잡성이 무생물에서 자발적으로 나타났는지에 대해서는 훨씬 더 잘 알지 못한다. 하지만, 지난 수십 년 동안, 생체 분자 간의 약한 물리적 상호 작용이 해답의 중요한 부분이라는 것이 분명해졌다. 이러한 상호 작용은 일부 분자가 다른 분자를 피하면서 일시적으로 함께 있을 수 있게 하며, 이는 구성이 주변과 다른 방울의 자발적인 형성으로 이어질 수 있다. 생화학자 Alexander Oparin이 한 세기 전에 그러한 아이디어를 제안했지만, 실험적 확증은 최근에야 도달했다.

만약 방울이 그렇게 중요하다면, 생물 세포는 어떻게 그것들이 적절한 시간, 적절한 장소, 그리고 적절한 크기로 형성되도록 보장할 수 있을까요? 효소가 “기질” 분자를 “생성물” 분자로 전환하는 것을 제어하는 화학 반응은 사실상 모든 세포 과정을 제어하기 때문에 이 문제를 해결할 주요 후보이다. 실제로, 모델은 이러한 효소 제어 반응이 방울 크기를 제어하고 심지어 자발적인 분열을 일으킬 수 있다고 제안한다. 이 아이디어를 바탕으로 Demarchi와 그의 동료들은 촉매 활성 방울도 움직일 수 있다는 것을 증명했다. 그들은 상분리와 촉매적으로 제어된 화학 반응을 결합한 최소 모델을 조사하며, 수치적으로 시늉내고 분석적으로 다룬다. 두 가지 접근 방식 모두 방울이 자가 추진이 가능하다는 것을 일관되게 보여준다.

방울은 상분리에 의해 형성되며, 초기에 균질한 용액은 자발적으로 밀도가 높은 것과 희석된 것의 두 상을 형성한다. 상분리는 전적으로 물리적 상호 작용에서 비롯되며 평형 열역학에 의해 설명된다. 방울의 화학적 내용물은 주변과 구별되며 특정 반응이 주로 방울 내부에서 일어나도록 효소를 농축할 수 있다. 따라서 방울은 반응 도가니 역할을 하여 주변에 존재하는 기질 분자를 다른 생성물 분자로 바꾼다. 생성물 분자가 외부의 기질 분자로 다시 변환되면, 예를 들어 세포의 ATP로부터 오는 외부 에너지 입력에 의해 구동되는 액체와 주변 사이에 물질의 순환 흐름이 발생한다. 비록 그러한 순환 흐름이 처음에는 쓸모없는 햄스터 바퀴처럼 보일 수 있지만, 그것들은 방울의 크기와 모양에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 본질적으로, 그것은 큰 방울은 기질을 생성물로 변환하는 데 덜 효율적인 반면 작은 방울은 부피에 비해 엄청나게 큰 표면 에너지를 가지고 있기 때문이다. 기질이나 생성물이 불균일하게 분포되어 있는 경우 콜로이드 입자가 농도 기울기에 반응하여 점성 유체를 통해 이동하는 방식과 유사하게 방울도 표류할 수 있다. Demarchi와 그의 동료들의 주요 기여는 방울 표류가 기질과 생성물의 이질성을 증가시킬 수 있다는 것을 입증하는 것이다. 결과적인 양의 되먹임은 방울이 자가 발생한 파도 위에서 파도타기를 하는 것처럼 계속해서 움직일 수 있게 한다.

활성 방울의 자체 추진은 특히 세포 내부와 같은 제한된 기하학적 구조에서 흥미로운 결과를 가져온다. 방울의 활동이 약할 때, 방울은 벽에서 튕겨져 나와 가능한 한 벽에서 멀리 떨어진 중심 위치를 찾는다. 더 강한 활동의 경우, 로봇 청소기가 복잡한 방을 탐색하는 것처럼 방울이 중심을 지나쳐 벽 사이에서 계속해서 진동할 수 있다. 때때로 자체 추진이 너무 강해서 방울이 벽에 머리부터 부딪쳐 막힐 수 있다. 이 모든 거동은 주변의 기질 분자를 소비하는 액체와 생성물 분자를 다시 기질로 재활용하는 보충 메커니즘 사이의 상호 작용에서 비롯된다. 화학과 물리학의 동일한 상호 작용은 또한 크기 제어를 매개하며, 이는 동일한 화학적 구성을 가진 여러 방울이 공존하고 자발적으로 분할되어 최적의 크기에 도달할 수 있도록 한다.

단순한 방울의 거동을 매우 정확하게 결정할 때, 효소적으로 제어된 반응은 기술적인 공정에서 유용할 수 있다. 화학자들은 자기 조직화의 엄청난 잠재력을 확보하기 위해 실험실에서 그러한 방울들을 길들이기 시작했다. 이 시스템의 내장된 재활용은 바람직하지 않은 폐기물을 발생시키지 않고 생성물과 기질을 지속적으로 사용하기 때문에 매력적이다.

효소가 풍부한 방울은 우리가 일반적으로 살아있는 생명체와 관련된 많은 특성을 가지고 있다. 첫째, 그들은 주변으로부터 분리된 잘 정의된 실체이다. 둘째, 그들은 그들의 구성과 크기를 조절하기 위해 주변의 요소들을 대사하여 풍요로운 시기에 증식하고 부족한 시기에 죽는다. 셋째, 그들은 더 풍부한 목초지에 도달하기 위해 환경의 장애물에 반응하면서 자율적으로 움직인다. 이러한 생명의 특징에도 불구하고, 효소가 풍부한 방울은 우리가 보통 생명과 관련된 구조의 내부 복잡성과 진화에 필요한 적응력 모두가 부족하다. 하지만, 더 복잡한 방울은 내부 구조를 나타낼 수 있고, RNA와 다른 큰 생체고분자의 불완전한 복사는 진화 과정에 대한 유연성을 제공할 수 있다. 따라서 방울은 생명의 기원에서 그럴듯한 단계가 될 수 있다.

Enzyme-Enriched Condensates Show Self-Propulsion, Positioning, and Coexistence, Leonardo Demarchi, Andriy Goychuk, Ivan Maryshev and Erwin Frey, Phys. Rev. Lett. 130, 128401 (2023), Published March 20, 2023.

양자 과정에서 되감기 누르기
Synopsis: Hitting Rewind on Quantum Processes

양자 시스템의 진화를 뒤집는 새로운 기술이 양자 정보 기술의 핵심 도구가 될 수 있다.

거시 세계에서 물리 과정은 한 번의 방향으로만 전개되는 것처럼 보인다. 예를 들어 달걀은 풀어서 익힐 수 있지만 다시 뭉쳐져 달걀이 될 수는 없다. 그러나 양자 영역에서의 과정은 이른바 되감기 규약을 사용하여 뒤집어질 수 있다. 오스트리아 비엔나의 양자 광학 및 양자 정보 연구소의 David Trillo와 그의 동료들은 2준위 양자계를 위한 규약을 시연했다. 이전의 접근 방식은 성공 가능성이 낮았지만, 이 접근 방식은 동작이 보장되어 실질적인 응용을 위한 문을 열었다.

새로운 규약은 대상 계가 서로 다른 경로의 양자 중첩을 따라 진화하도록 함으로써 작동한다. 일부 경로에서는 계가 자유롭게 진행될 수 있으며, 다른 경로에서는 알려지지 않은 양자 연산에 의해 작동된다. 이후 이러한 경로의 간섭으로 인해 계가 초기 상태로 돌아간다. 놀랍게도, 이 규약은 대상 계, 내부 역학 또는 적용된 연산에 대한 지식이 필요하지 않다. 게다가, 되감기는 최적으로 효율적이며 임의로 높은 성공 확률에 도달할 수 있다.

Trillo와 그의 동료들은 두 가지 가능한 편광 상태를 가진 광자의 형태로 2준위 계의 진화를 뒤집은 복잡한 광학 장치를 사용하여 규약을 시연했다. 그러나 그들은 이 접근법이 광학 기반에만 국한되지 않는다고 강조한다. 그들은 성공이 보장된 양자계를 과거 상태로 되돌릴 수 있는 이 능력이 양자 역학에 대한 우리의 이해에 영향을 미치고 양자 정보 기술의 많은 영역에 적용될 수 있다고 제안한다.

Universal Quantum Rewinding Protocol with an Arbitrarily High Probability of Success, D. Trillo, B. Dive and M. Navascués, Phys. Rev. Lett. 130, 110201 (2023), Published March 14, 2023.

군론을 이용한 강유전성 예측
Synopsis: Predicting Ferroelectricity with Group Theory

원자 두께의 동일한 결정 물질 두 층을 강유전성을 나타내는 방식으로 서로 겹쳐 쌓을 수 있다.

강유전체 결정은 전기장에 반응하여 두 개의 반대되는 안정적인 분극 사이에서 뒤집어진다. 상태의 견고성과 더 다루기 힘든 자기장이 아닌 전압이 스위칭을 수행한다는 사실은 강유전체를 비휘발성 기억소자 및 기타 응용에 매력적으로 만든다. 원칙적으로, 결정성 단일층은 이상적인 강유전체이다. 두께가 얇기 때문에 필요한 스위칭 전기장 세기와 소자에서 재료가 차지하는 부피가 모두 줄어든다. 그러나 단일층은 세 번째 차원이 부족하기 때문에 강유전체 재료의 중요한 특성, 즉 평면 밖 축 방향의 구조적 비대칭을 나타낼 기회가 줄어든다. 이제 중국 Fudan University의 Changsong Xu와 Hongjun Xiang과 동료들은 어떻게 이 필요한 비대칭성이 결정 구조 사이에 잘못 정렬된 두 개의 단일층을 쌓아서 만들어질 수 있는지 예측하는 모형을 개발했다.

3차원 결정 구조를 대칭에 따라 분류하는 것은 1830년대로 거슬러 올라간다. 2차원 단일층의 경우, 가능한 구조는 수학적으로 정의된 80개의 군을 차지한다. 단일층이 쌓이고 이동하여 이중층을 형성하면 대칭이 생성되고 파괴된다. 최근, 연구자들은 동일한 물질의 다른 단일층 위에 한 단일층을 놓고 그것을 이동시킴으로써 얻은 대칭 감소가 강유전 특성을 가진 이중층을 만들 것이라고 제안했다. Xu, Xiang 및 그들의 동료들은 가능한 모든 유형의 단일층과 가능한 모든 유형의 적층(회전 및 이동)이 단일 군론 체계 안에서 분석될 수 있음을 보여준다. 군론의 기술을 적용함으로써, 그들은 어떤 구조와 어떤 적층이 강유전성을 나타내게 하는지 식별할 수 있다. 연구팀의 예측은 지금까지 연구실에서 만들어진 적당한 수의 이중층 강유전체와 일치하는 반면, 그들의 일반적인 이론은 더 많은 것의 발견을 예고한다.

General Theory for Bilayer Stacking Ferroelectricity, Junyi Ji, Guoliang Yu, Changsong Xu and H. J. Xiang, Phys. Rev. Lett. 130, 146801 (2023), Published April 4, 2023.