[바이오토픽] 미생물학의 쾌거: 불가사의한 미생물(로키아르카이아) 분리·배양에 성공

[희망세대]

생명과학  양병찬

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일본의 과학자들은 지금껏 DNA로만 알려져 있었던 로키아르카이아(Lokiarchaea)를 포착하여 배양하는 데 성공했다.

진핵세포의 진화과정: 원핵세포 → (세포내공생) → 동물세포(⑤에서), 식물세포(⑦에서)/브라이언 콕스, 『경이로운 생명』, 100쪽, 지오북(2018)

생물학자들은 지구상에 사는 모든 진핵생물을 탄생시킨 미생물과 비슷한, 희귀 미생물을 사상최초로 분리하여 배양하는 데 성공했다.

출판전 서버인 《bioRxiv》에 포스팅한 논문에서(참고 1), 일본의 연구팀은 "지금껏 유전체 시퀀싱을 통해서만 알려졌던 고균(archaea)의 한 계통을 분리하여 배양하는 데 성공했다"고 밝혔다. 고균이란 피상적으로는 세균과 비슷하지만, 실제로는 매우 독특한 단세포 미생물을 말한다.

연구팀이 심해의 진흙에서 채취한 미생물을 실험실로 가져와, 순수한 배양물을 얻는 데 걸린 시간은 무려 12년이었다. 그들은 이러한 노력을 통해, '세균 비슷한 원핵생물(prokaryote)'에서 '진핵생물(eukaryote)'로 도약한 생물체의 모습을 최초로 일별(一瞥)할 수 있었다. 진핵생물이란 세포 속에 핵과 다른 구조체를 보유한 생물군으로, 식물·균류·동물(인간 포함)을 포함한다.

"이것은 엄청난 양의 노력과 인내를 반영하는, 기념비적 논문이다"라고 네덜란드 바헤닝언 대학교의 테이스 에테마(진화미생물학)는 말했다. "연구팀 덕분에, 우리는 중요한 생물계통을 이해하는 데 커다란 걸음을 내디뎠다."

진흙투성이 원조

로키아르카이아(Lokiarchaea)라는 불가사의한 미생물의 원조는, 그린란드 해안에서 멀리 떨어진 해저열구수 지역(hydrothermal vent field)인 로키캐슬(Loki’s Castle) 근방에서 채취된 진흙투성이 미생물군이다. 2015년, 에테마와 동료들은 메타유전체학(metagenomics)이라는 방법을 이용하여, 퇴적물 속의 '뒤죽박죽한 미생물들'로부터 유전자 단편을 시퀀싱한 후 개별적인 종들의 완벽한 유전체를 조립해냈다(참고 2).

그런데 그중에서 하나의 유전체가 단연 돋보였다. 왜냐하면 고균의 일원이었기 때문이다. 그러나 그 유전체 전역에 '진핵생물과 비슷한 유전자'들이 산재한 것으로 보아, 에테마의 뇌리에는 "이 괴짜 미생물은 '단순한 미생물과 진핵생물 간의 진화적 갭'을 메우는 데 도움이 될 것 같다"는 생각이 퍼뜩 스치고 지나갔다. 에테마와 동료들은 북유럽 신화에 나오는 사기꾼(로키)의 이름을 따서, 그 고균의 이름을 로키아르카이아라고 붙였다.

뒤이어 다른 연구팀들이 로키와 비슷한 고균을 추가로 발견하자, 이 둘을 총칭하여 아스가르드 고균(Asgard archaea)이라고 부르게 되었다(아스가르드는 북유럽의 신들이 거주하는 나라를 말한다). 아스가르드가 계통수상에서 차지하는 정확한 위치에 대해서는 논란이 많다. 그러나 많은 생물학자들은 아스가르드와 진핵생물을 하나로 묶는데, 이는 아스가르드와 비슷한 먼 조상이 - 팬더곰에서부터 포토벨로 버섯에 이르기까지 - 모든 진핵생물을 탄생시켰음을 시사한다.

둘이 하나로

이러한 견해의 찬성론자들의 생각은 이렇다: "지금으로부터 약 20억 년 전, 아스가르드와 비슷한 고균 한 마리가 세균 한 마리를 집어삼켰다. 그 사건은 간식거리를 제공하는 대신 호혜적인 관계(mutually beneficial relationship)를 촉발했으므로, 세포내공생(endosymbiosis)라는 현상이라고 부른다." 이상과 같은 가설에 따르면, 그 세균은 궁극적으로 미토콘드리아라는 소기관으로 진화하여, 진핵생물의 등장에 연료를 공급한 발전소로 작용했다. 이와 비슷한 통합이 최초의 유핵세포(nucleated cell)를 탄생시켰을 수 있다.

그러나 모든 연구자들이 아스가르드의 이런 도약에 동의하는 것은 아니다. 일각에서는 "아스가르드를 특별하게 만든 진핵생물 비슷한 유전자는, 퇴적물 속에 들어있는 다른 미생물에게 오염된 것일 뿐"이라고 주장해 왔다. 그리고 실험실에서 연구할 수 있는 '진짜 미생물'이 존재하지 않으므로, '진핵생물 비슷한 유전자가 하는 일'과 '세포내공생의 진행과정'을 알아내기가 어려웠다. "우리는 유전체에서 많은 것을 배웠지만, 실험용 배양물이 없다면 한계가 있을 수밖에 없다"라고 에테마는 말했다.

아스가르드는 극한환경 출신인 데다 성장속도가 매우 느리므로, 그것을 실험실에서 배양하는 데 성공한 사람은 지금껏 아무도 없었다. "모든 생물학자들은 오랫동안 이 순간을 학수고대해 왔다"라고 프랑스 파스퇴르연구소의 시모네타 그리발도(진화미생물학)는 말했다.

12년간의 연구

아스가르드의 존재가 세상에 알려지기 수년 전부터, 요코스카(橫須賀) 소재 일본해양연구개발기구(海洋研究開発機構)의 미생물학자 이마치 히로유키(井町 寛之)와 동료들은 아스가르드를 연구실에서 배양하기 위해 지난(至難)한 연구를 시작했다.
 

The manned submersible Shinkai 6500 collected deep-sea mud from which researchers isolated microbes potentially key to the evolution of complex cells. The Asahi Shimbun/Getty Images/Science(참고 3)

심해 퇴적물에서 채취한 미생물을 배양하기 위해, 이마치와 동료들은 심해의 메탄구(methane vent) 상태를 시뮬레이션하는 바이오리액터(bioreactor)를 건설했다. 그리고 5년 동안 이제나저제나, '서서히 증식하는 미생물'이 반응기 속에서 증식하기를 기다렸다.

드디어 미생물이 증식하자, 연구팀은 반응기에서 샘플을 채취하여 영양소와 함께 유리관 속으로 옮겼다. 그리고는 다시 1년 동안, 생명의 징후가 나타나기를 기다렸다. 유전자분석 결과, 극미량의 로키아르카이아 집락이 탐지되었다. 하나의 세포가 둘로 분열하는 데 2-3주씩이나 걸리는 로키아르카이아를, 연구팀은 끈질기게 배양하여 집락의 크기를 늘린 다음 샘플을 정제했다. "그것은 내가 아는 것 중 가장 느리게 분열하는 미생물 중 하나다"라고 에타마는 말했다.

12년간의 연구 끝에, 연구팀은 마침내 로키아르카이아와 또 하나의 ‘메탄생성 고균’만을 포함하는 안정적인 배양물을 얻었다. 이 두 가지 미생물은 공생관계를 형성했는데, 그 패턴이 종전에 발견된 '세균 + 고균 집락'과 유사했다. 연구팀은 배양된 로키아르카이아를 프로메테오아르카이움 신트로피쿰(Prometheoarchaeum syntrophicum)이라고 명명했다. 논문이 한 저널에서 심사받는 동안, 연구팀은 《Nature》 뉴스팀의 인터뷰 요청을 거절했다.

"그것은 엄청난 노력의 결과물이다"라고 그리발도는 말했다. "그게 진짜로 훌륭한 이유는, 아스가르드에 대한 열풍이 불기 전에 시작되었기 때문이다. 연구팀은 실험을 진행하는 도중, 자기들이 보석을 손에 쥐고 있음을 깨달았음에 틀림없다."

외계에서 온 생물

현미경으로 관찰한 결과, 그 미생물은 너비 1마이크로미터 미만의 원형세포(round cell)인 것으로 나타났다. 다른 '고균 + 세균'과 마찬가지로, 그들은 비교적 단순한 내부구조를 갖고 있지만, 그들의 외부표면은 짧은 머리카락과 유사한 돌기(protrusion)를 만들 수 있다. "어느 누구도 그런 형태를 예상하지 못했을 것이다. 그건 마치 외계에서 온 생물 같다"라고 에테마는 말했다.

연구팀에 따르면, "배양된 로키아르카이아는 아미노산을 분해하여 에너지를 생성하며, 에너지 운반에 사용되는 분자를 공생 파트너와 교환할 수 있다"고 한다. 에테마에 따르면, 아르가르드의 유전체가 일찍이 그런 능력을 암시했지만, 연구실의 배양물이 없었다면 그것을 확인할 수 없었을 거라고 한다.

마지막으로, 연구팀은 '수많은 생물들을 포함하는 퇴적물'이 아니라 '순수한 샘플'에서 DNA를 추출하여 시퀀싱했으므로, 그들의 발견은 '로키아르카이아가 진짜로 진핵생물과 유사한 유전자를 다수 보유하고 있다'는 물증을 제시했다고 볼 수 있다. "이로써 오염에 대한 우려가 불식되었다"라고 그리발도는 말했다.

"아스가르드와 유사한 고균이 진핵생물을 탄생시켰는지 여부와 메커니즘을 알아내려면 더 많은 아스가르드를 배양해야 하지만, 이번 연구는 다음 단계의 아스가르드 연구를 위한 길을 열었다"라고 에테마는 말했다.

"타임머신을 타고 과거로 돌아가 무슨 일이 일어났는지 관찰할 수는 없다"라고 에테마는 말했다. 우리가 오늘날 보고있는 아스가르드가, 진핵생물을 탄생시킨 미생물과 동일하지는 않다. 그러나 연구자들은 더 많은 아스가르드를 배양하여 '진핵생물과 유사한 유전자'가 진화계통도를 그려내는지를 확인함으로써, 단순한 단세포생물이 복잡성을 향해 위대한 첫걸음을 내디딘 메커니즘을 더 잘 추론할 수 있다.

※ 참고문헌
1. Imachi, H. et al. Preprint (2019); https://doi.org/10.1101/726976
2. Spang, A. et el. Nature 521, 173–179 (2015); https://doi.org/10.1038%2Fnature14447
3. http://www.sciencemag.org/news/2019/08/tentacled-microbe-could-be-missing-link-between-simple-cells-and-complex-life

※ 출처: Nature https://www.nature.com/articles/d41586-019-02430-w