우리의 과제는 이제 생물학을 다시 종합하는 것입니다. 유기체를 다시 그 환경 속에 놓고, 진화의 역사와 다시 연결하며, 유기체, 진화, 환경이 하나로 통합된 복잡한 흐름을 느끼게 해야 합니다. 생물학이 비선형 세계로 진입할 시간이 왔습니다.
Carl Richard Woese는 미국의 미생물학자이자 생물물리학자였습니다. Woese는 자신이 개척한 기법인 16S 리보솜 RNA의 계통분류학을 통해 1977년에 생명의 새로운 영역인 Archaea를 정의한 것으로 유명하며, 이는 미생물학에 혁명을 일으켰습니다. 그는 또한 1967년에 RNA 세계 가설을 창안했지만 그 이름으로는 알려지지 않았습니다. Woese는 Stanley O. Ikenberry 석좌교수직을 보유했으며 University of Illinois at Urbana–Champaign의 미생물학 교수였습니다.
생애 및 교육
Carl Woese는 1928년 7월 15일 Syracuse, New York에서 태어났습니다. Woese는 Massachusetts의 Deerfield Academy에 다녔습니다. 그는 1950년 Amherst College에서 수학과 물리학 학사 학위를 받았습니다. Amherst 재학 중 Woese는 고학년 때 생화학 단 한 과목만 수강했으며 "식물과 동물에 대한 과학적 관심이 없었습니다"는 것을 당시 Amherst의 물리학 조교수였던 William M. Fairbank의 조언을 받고 Yale에서 생물물리학을 추구하게 되었습니다.
1953년에 그는 Yale University에서 생물물리학 박사 학위를 취득했으며, 박사 연구는 열과 이온화 방사선에 의한 바이러스 불활성화에 초점을 맞췄습니다. 그는 Rochester 대학교에서 2년간 의학을 공부했으나 소아과 임상 실습 2일째에 그만두었습니다. 그 후 그는 Yale University의 생물물리학 박사후 연구원으로 세균 포자를 연구했습니다. 1960–63년에 그는 Schenectady, New York의 General Electric Research Laboratory에서 생물물리학자로 일했습니다. 1964년 Woese는 University of Illinois at Urbana–Champaign의 미생물학 교수진에 합류했으며, Archaea, 유전체학, 분자 진화를 전문 분야로 삼았습니다. 그는 University of Illinois at Urbana–Champaign의 Carl R. Woese Institute for Genomic Biology의 교수가 되었으며, 이 기관은 2015년 그의 사망 이후 그의 이름으로 개명되었습니다.
Woese는 2012년 12월 30일 췌장암의 합병증으로 사망했습니다.
업적 및 발견
유전 암호에 관한 초기 연구
Woese는 1960년 가을 General Electric의 Knolls Laboratory에서 자신의 실험실을 설립하면서 유전 암호에 관심을 돌렸습니다. 물리학자와 분자생물학자들 사이에서 1953년 James D. Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin의 DNA 구조 발견 이후 20개의 아미노산과 핵산 염기의 4글자 알파벳 사이의 대응을 해석하는 데 관심이 집중되기 시작했습니다. Woese는 이 주제에 대해 일련의 논문을 발표했습니다. 한 논문에서 그는 당시 "가용성 RNA"로 알려진 것과 DNA 사이의 대응 표를 각각의 염기쌍 비율에 따라 추론했습니다. 그 후 그는 바이러스가 각 아미노산을 인코딩하기 위해 삼중쌍이 아닌 한 개의 염기를 사용한다는 가설과 관련된 실험 데이터를 재평가했으며, 18개의 코돈을 제안하여 프롤린에 대한 것을 올바르게 예측했습니다. 다른 연구들은 단백질 번역의 기계적 기초를 확립했지만, Woese의 관점에서는 유전 암호의 진화적 기원을 사후 생각으로 크게 간과했습니다.
1962년 Woese는 Paris의 Pasteur Institute에서 몇 개월간 방문 연구원으로 있었으며, 이곳은 유전자 발현과 유전자 조절의 분자 생물학에 대한 집중적인 활동의 중심지였습니다. Paris에 있는 동안 그는 Sol Spiegelman을 만났고, Spiegelman은 Woese의 연구 목표를 듣고 방문 후 University of Illinois를 방문하도록 초대했습니다. 이 방문에서 Spiegelman은 Woese에게 1964년 가을부터 시작하는 즉각적인 종신 재직권을 가진 직책을 제안했습니다. 주류 생물학 연구 밖에서 더욱 추측적인 조사 실을 인내심 있게 추구할 수 있는 자유를 가지고, Woese는 유전 암호를 진화론적 관점에서 고려하기 시작했으며, 코돈 할당과 아미노산 서열로의 변환이 어떻게 진화했을 수 있을지 질문했습니다.
세 번째 영역의 발견
20세기 대부분 동안 원핵생물은 단일 생물 그룹으로 간주되었으며 생화학, 형태, 대사에 따라 분류되었습니다. 매우 영향력 있는 1962년 논문에서 Roger Stanier와 C. B. van Niel은 처음으로 세포 조직의 원핵생물과 진핵생물로의 분할을 확립했으며, 원핵생물을 세포핵이 없는 생물로 정의했습니다. Édouard Chatton의 일반화에서 차용된 Stanier와 Van Niel의 개념은 생물 간의 가장 중요한 구별로 빠르게 받아들여졌습니다. 그러나 미생물학자들이 박테리아의 자연적 계통분류학을 구성하려는 시도에 대해 회의적이었습니다. 그러나 모든 생명이 공통의 원핵생물 조상을 공유한다는 것이 일반적으로 가정되었으며, 이는 그리스 어근 πρό pro-, 전에, 앞에를 의미합니다.
1977년 Carl Woese와 George E. Fox는 이 보편적으로 널리 알려진 생명의 나무의 기본 구조에 관한 가설을 실험적으로 반박했습니다. Woese와 Fox는 "archaebacteria" Archaea라고 부르는 일종의 미생물 생명을 발견했습니다. 그들은 archaebacteria가 박테리아와 식물 및 동물만큼 구별되는 생명의 "제3의 왕국"을 구성한다고 보고했습니다. Archaea를 박테리아도 진핵생물도 아닌 새로운 "원왕국" 이후 영역으로 정의한 Woese는 분류학적 나무를 다시 그렸습니다. 그의 3-영역 체계는 명백한 형태학적 유사성보다는 계통분류학적 관계에 기반하여 생명을 23개의 주요 분할로 나누었으며, 세 개의 영역 내에 포함되었습니다: Bacteria, Archaea, 및 Eucarya.
Woese의 계통분류학적으로 타당한 분류의 타당성을 받아들이는 것은 느린 과정이었습니다. Salvador Luria와 Ernst Mayr를 포함한 저명한 생물학자들은 그의 원핵생물의 분할에 반대했습니다. 그에 대한 모든 비판이 과학적 수준으로만 제한되지는 않았습니다. 10년간의 노동 집약적 올리고뉴클레오타이드 목록 작성은 그에게 "괴짜"의 평판을 남겼으며, Woese는 과학 저널의 뉴스 기사에 의해 "미생물학의 상처입은 혁명가"로 불리게 되었습니다. 계속 증가하는 지지 데이터가 과학계가 1980년대 중반까지 Archaea를 받아들이도록 이끌었습니다. 오늘날 통합된 Prokarya의 개념에 집착하는 과학자는 거의 없습니다.
Archaea에 관한 Woese의 연구는 또한 다른 행성의 생명 탐색에 대한 함의에서도 중요합니다. Woese와 Fox의 발견 이전에 과학자들은 Archaea가 우리에게 더 익숙한 미생물에서 진화한 극한 생물이라고 생각했습니다. 이제 대부분은 그들이 고대이며 지구상의 첫 번째 생물과 강력한 진화 관계를 가질 수 있다고 믿습니다. 극한 환경에 존재하는 archaebacteria와 유사한 생물들은 극한미생물 생명에 유리한 조건을 지닌 다른 행성에서 발전했을 수 있습니다.
특히 Woese의 생명의 나무에 대한 설명은 미생물 계통의 압도적인 다양성을 보여줍니다: 단세포 생물들은 생물권의 유전적, 대사적, 생태적 틈새 다양성의 대부분을 차지합니다. 미생물은 많은 생지화학적 순환과 생물권의 계속된 기능에 필수적이므로, Woese의 미생물의 진화와 다양성을 명확히 하려는 노력은 생태학자와 보존주의자에게 귀중한 서비스를 제공했습니다. 그것은 진화 이론과 생명의 역사에 대한 우리의 지식에 대한 주요 기여였습니다.
주요 세포 유형의 진화
Woese는 또한 생물 간의 상당한 수평 유전자 이동이 발생한 빠른 진화의 시대에 대해 추측했습니다. 1977년 Woese와 Fox의 논문에서 처음 기술된 이러한 생물들, 또는 progenotes는 오류가 많은 번역 장치 "잡음이 있는 유전자 전송 채널"로 인해 매우 낮은 복잡성의 원시 세포로 상상되었으며, 이는 세포 상호작용의 특이성을 제한하고 게놈의 크기를 제한하는 높은 돌연변이율을 만들었습니다. 이 초기 번역 장치는 단일 단백질이 아닌 구조적으로 유사하고 기능적으로 동등한 단백질 그룹을 생성했을 것입니다. 게다가 이 감소된 특이성 때문에 모든 세포 성분은 수평 유전자 이동에 취약했으며, 빠른 진화는 생태계 수준에서 발생했습니다.
현대 세포로의 전환 "Darwinian Threshold"는 생물들이 현대 수준의 충실도를 가진 번역 메커니즘을 진화시켰을 때 발생했습니다: 향상된 성능으로 인해 세포 조직이 다른 생물의 유전자가 개인의 자신의 유전자를 대체할 수 있는 능력이 훨씬 떨어지는 수준의 복잡성과 연결성에 도달할 수 있게 했습니다.
나중 몇 년 동안 Woese의 연구는 진화에 대한 수평 유전자 이동 HGT의 중요성을 명확히 하기 위해 유전체 분석에 집중했습니다. 그는 aminoacyl-tRNA synthetases의 계통분류에 대한 상세한 분석과 생물들 간의 이러한 핵심 효소의 분포에 대한 수평 유전자 이동의 영향에 대해 작업했습니다. 연구의 목표는 주요 세포 유형들인 archaeal, eubacterial, 및 eukaryotic이 RNA 세계의 조상 상태에서 어떻게 진화했는지를 설명하는 것이었습니다.
생물학에 대한 관점
Woese는 Current Biology에서 생물학의 과거, 현재, 미래에 대한 자신의 생각을 공유했습니다:
"중요한 질문들"은 21세기 생물학이 직면한 모든 것들이 하나의 질문, 즉 생물학적 조직의 성질과 생성에서 비롯됩니다. . . . 네, Darwin이 돌아왔지만 . . . 이전에는 불가능했던 생물학의 깊이를 훨씬 더 멀리 볼 수 있는 과학자들의 회사에서 돌아왔습니다. 더 이상 진화의 "10,000 종의 새" 관점이 아닙니다—형태의 행렬로 본 진화. 이제 관심은 진화 과정 자체에 있습니다.
생물학적 조직의 질문이 오늘날 두 가지 두드러진 방향을 취하고 있다고 봅니다. 첫 번째는 번역 장치의 진화와 유전 암호, 그리고 세포 과정의 화려한 배열을 미세 조정하고 정확히 상호 연결하는 제어의 계층 구조의 기원과 성질을 포함하는 (단백질성) 세포 조직의 진화입니다. 또한 오늘날 지구에 존재하는 서로 다른 기본 세포 유형의 수에 관한 질문도 포함합니다: 모든 현대 세포가 하나의 조상 세포 조직에서 비롯났을까요?
두 번째 주요 방향은 글로벌 생태계의 성질을 포함합니다. . . . 박테리아는 이 행성의 주요 생물입니다—숫자로, 총 질량으로, 글로벌 균형에 대한 중요성으로. 따라서 미생물 생태학입니다. . . . 사실과 관련하여 해석 틀에서 모두 발전이 가장 필요합니다.
Woese는 생물학이 사회에서 "매우 중요한" 역할을 한다고 생각했습니다. 그의 견해로는 생물학은 "엔지니어링된 환경"의 추구보다 더 광범위한 목적을 수행해야 합니다:
물리학에서 공식적으로 인정된 것이 이제 생물학에서 인정되어야 합니다: 과학은 이중 기능을 수행합니다. 한 한편으로는 사회의 종이며, 사회가 제기하는 응용 문제에 맞서 싸웁니다. 다른 한편으로는 사회의 교사로 기능하여 후자가 자신의 세계와 자신을 이해하도록 돕습니다. 후자의 기능은 오늘날 효과적으로 결여되어 있습니다.
영예 및 과학적 유산
Woese는 1984년 MacArthur Fellow였으며, 1988년 National Academy of Sciences의 회원이 되었고, 1992년에 미생물학의 최고 영예인 Leeuwenhoek Medal을 받았으며, 1995년 National Academy of Sciences로부터 미생물학의 Selman A. Waksman Award를 받았고, 2000년에 National Medal of Science 수상자였습니다. 2003년에 그는 Royal Swedish Academy of Sciences로부터 "생명의 제3의 영역 발견"으로 Crafoord Prize를 받았습니다. 2006년 그는 Royal Society의 외국인 회원이 되었습니다.
Pyrococcus woesei, Methanobrevibacter woesei, Conexibacter woesei와 같은 많은 미생물 종이 그의 명예를 위해 명명되었습니다.
Stanford University의 미생물학자 Justin Sonnenburg는 "1977년의 논문은 미생물학에서 가장 영향력 있는 논문 중 하나이며, 논의할 여지 없이 모든 생물학에서 가장 영향력 있는 논문입니다. 그것은 Watson과 Crick과 Darwin의 작품과 함께 미생물 세계의 엄청난 다양성을 위한 진화론적 틀을 제공합니다"라고 말했습니다.
수평 유전자 이동을 주요 진화 과정으로 하는 Woese의 연구와 관련하여 University of Colorado at Boulder의 교수 Norman R. Pace는 "Woese가 역사상 어떤 생물학자보다 생물학 전체에 더 많이 기여했다고 생각합니다. Darwin을 포함해서요... 배울 것이 훨씬 더 많고, 그는 새로운 이야기를 멋지게 해석해 왔습니다"라고 말했습니다.
선택된 출판물
책
- Woese, Carl 1967. The Genetic Code: the Molecular Basis for Genetic Expression. New York: Harper & Row. OCLC 293697.
