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진핵생물의 기원에 관한 가설을 뒤집은 심해 세균
작성자 : 우정희 ㅣ 조회수 : 1,699

지금으로부터 20억 년 전, 생명의 역사에서 가장 중요하고도 불가사의한 사건이 발생했다. 원핵생물(prokaryotes: 세균이나 고세균과 같이, 비교적 단순한 단세포생물)에서 좀 더 정교한 진핵생물(eukaryotes: 진균, 식물, 동물과 같은 다세포생물의 조상)을 탄생시킨 것이다. 지난주 Nature에 실린 논문에서, "과학자들은 북대서양 바닥에서 건져올린 진흙 속에서, 지금껏 발견됐던 것 중에서 진핵생물에 가장 가까운 고세균(archaea)을 발견했다"고 보고했다.

비공식적으로 로키(Loki)라고 불리는 이 미생물은 진화생물학자들 사이에서 소동을 일으키고 있다. "로키는 진핵생물의 기원에 대해 매우 중요한 사실을 말해준다"고 미 국립 생명공학정보센터의 유진 쿠닌 박사는 말했다. "지금까지 진핵생물의 조상은 다른 고세균들에 비해 매우 복잡한 생명체였던 것으로 생각되어 왔다. 그런데 이번에 심해의 해저에서 발견된 로키는 고세균에서 진핵생물로 넘어가는 과도기적 생명체일 가능성이 높다"고 영국 던디 대학교의 마크 필드 박사(진화세포생물학)는 말했다.

진핵생물은 원핵생물과는 달리 미토콘드리아나 엽록체(식물과 일부 원생생물에 한정됨)와 같은 소기관을 보유하고 있는 것이 특징이다. 더욱이 진핵생물은 막으로 둘러싸인 핵 속에 DNA를 보유하고 있고, 세포질 속에는 막으로 둘러싸인 기타 구조물(골지체, 리소좀, ER)도 들어 있다. 과학자들은 "미토콘드리아와 엽록체는 태곳적에 자유로이 생활하던 원핵생물이 다른 세포 속에 들어가 눌러앉은 것"이라는 데 의견의 일치를 보고 있다. 그러나 그 원핵생물을 삼켜 길들인 고대 생물체의 정체는 아직 확실히 밝혀지지 않았다.

분자생물학적 증거에 따르면, 고세균은 진핵생물의 가장 가까운 친적이라고 할 수 있다. 그러나 과학자들은 진핵생물과 고세균의 족보를 확실히 정리하지 못하고, 두 가지 가설을 내세우고 있다. 첫 번째 가설은 `먼저 원핵생물에서 진핵생물이 갈라져나왔고, 그 다음에 고세균이 출현했다`는 것이고, 두 번째 가설은 `고세균이 먼저 나타난 다음, 고세균으로부터 진핵생물이 직접 진화했다`는 것이다(첨부그림 참조). 첫 번째 가설은 전통적인 3영역론(three-domain view)을 지지하는 과학자들이 내세우는 가설이다. 그런데 이번 연구에서 유전자 단편(斷片)을 분석해 본 결과, 로키는 두 번째 가설을 지지하는 것으로 밝혀졌다.

새로운 고세균을 찾아내려는 프로젝트의 일환으로, 스웨덴 웁살라 대학교의 티스 에테마 교수(진화생물학)가 이끄는 연구진은 그린란드와 노르웨이 사이에 있는 해저에서 10그램의 퇴적층을 채취하여 분석했다. 분석 결과, 흙 속에서는 (정체불명의 미생물이 존재함을 시사하는) 독특한 유전자 시퀀스가 검출되었다. 연구진은 몇 나노그램의 DNA 부스러기를 분리해냈지만, 메타유전체학(metagenomics) 기법을 이용하여 이 조각들을 짜맞춤으로써, 3가지의 새로운 고세균 유전체를 부분적으로나마 복구할 수 있었다. 연구진은 - 생사(生死)를 불문하고 - 완전한 미생물을 분리하지 못했지만, 그중에서 가장 완벽한 유전체를 가진 세균의 특징을 추론할 수는 있었다. 퇴적층 샘플은 로키캐슬이라는 해저 화산 열수구 근처에서 채취되었으므로, 연구진은 이 세균에 Lokiarchaeum, 간단히 `로키`라는 별명을 붙였다.

로키의 유전체를 분석해 보니 진핵생물과 유사한 점이 많은 것으로 나타났다. 첫째, 진핵생물의 경우에는 액틴 단백질이 세포골격의 형성을 도와 세포를 지지해 주고 운동을 가능하게 해준다. 로키의 경우, 액틴과 유사한 유전자를 보유하고 있는 것으로 나타났는데, 이것은 다른 고세균에서 발견되는 변종보다 진핵생물의 버전에 더욱 가까웠다. 둘째, 진핵생물의 경우 저분자량 GTPase(small GTPase)라는 효소가 있어, 세포골격 형성에서부터 (소포체를 이용한) 물질수송에 이르기까지 다양한 기능을 수행한다. 그런데 세균과 다른 고세균의 경우에는 저분자량 GTPase의 유전자가 몇 개밖에 없지만, 로키의 경우에는 무려 60~70개나 보유한 것으로 밝혀졌다. 셋째, 다른 원핵생물과는 달리, 로키는 여러 개의 ESCRT 복합체의 일부를 코딩하는 유전자를 여러 개 보유한 것으로 나타났다. ESCRT 복합체는 진핵생물의 막을 구부리거나 자르는 데 관여하는 단백질 복합체인데, 이것은 세포분열과 (분자 쓰레기 처리용) 소포체 형성에 매우 중요하다.

로키의 분자적 특징으로 미루어보건대, 진핵생물의 조상은 액틴 세포골격을 보유하고 있어서 세포나 다른 종류의 먹이를 삼킬 수 있었던 것으로 보인다. 로키는 또한 초기 형태의 내부구조와 소포체를 이용한 수송체계를 갖추고 있었던 것 같지만, 진핵생물의 전형적 특징(예: 핵, 미토콘드리아)은 갖고 있지 않았을 가능성이 높다. "로키는 지금껏 봐 왔던 것 원핵생물 중에서 진핵생물에 가장 가깝다"고 아일랜드 국립대학의 제임스 매키너리 교수(진화생물학)는 말했다. 새로 발견된 3가지 고세균의 유전체를 바탕으로 하여 작성한 진화계통도를 보면, 이들이 진핵생물의 가장 가까운 친척인 것을 알 수 있다. "이번 보고서는 기존의 3영역설을 송두리째 흔드는 연구결과"라고 매키너리 교수는 덧붙였다.

하지만 모든 과학자들이 로키를 `진핵생물과 원핵생물 간의 갭을 메워주는 가교`로 생각하는 것은 아니다. "이번 보고서는 극소수의 유전자를 바탕으로 하여 나온 것이다. 여섯 개의 단백질로 진핵생물과 원핵생물의 갭을 메우겠다고? 나의 사전에 그런 말은 없다"고 독일 하인리히 하이네 대학교의 윌리엄 마틴 교수(진화생물학)는 말했다. 연구진도 마틴 교수의 지적을 겸허히 받아들이고 있다. "만약 로키의 세포가 몇 개라도 발견된다면, 유전자 분석결과를 뒷받침함으로써 연구진의 주장을 강화할 수 있을 것이다. 우리는 현재 퇴적층 속에서 로키의 세포를 찾아내기 위해 최선을 다하고 있다"고 에테마 교수는 말했다.


출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑


담당자: 시험연구팀 우정희 선임연구원
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