애스가드 고세균 ... 인간의 골격, 대사과정은 어떻게 진화했는가?

[문형철]

Asgard-archaeota

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05550-y

1. 배경

진핵생물(우리 인간을 포함한 모든 동식물, 원생생물)의 세포는

매우 복잡한 구조를 가지고 있습니다.

특히

액틴(Actin)으로 이루어진 세포골격은

세포 모양 유지, 움직임, 물질 수송 등에 필수적입니다.

과학자들은 오랫동안

“진핵생물의 세포골격은 진핵생물이 등장하면서 새로 생겼을 것”이라고 생각했습니다.

2. 이번 연구의 발견 (가장 중요한 부분)

연구팀은

Asgard 고세균인 Lokiarchaeum ossiferum을 배양하는 데 성공하고,

극저온 전자현미경(cryo-electron tomography)으로 내부를 정밀 관찰했습니다.

결과:

• 이 고세균은 긴 가지 모양의 돌기를 가지고 있으며, 세포 내부에 복잡한 세포골격 네트워크가 존재합니다.
• 이 골격을 이루는 필라멘트(filament)는 F-액틴(F-actin)과 매우 유사한 구조를 가집니다.
• 특히 Lokiactin이라는 단백질(Asgard 고유의 진핵 signature protein, ESP)이 이 액틴 필라멘트를 구성한다는 것을 확인했습니다.

→ 즉, 진핵생물이 나타나기 훨씬 이전에, 이미 Asgard 고세균 단계에서 복잡한 세포골격이 존재했다는 것이 증명된 것입니다.

3. 과학적 의미

• Asgard 고세균이 진핵생물의 가장 가까운 친척이라는 기존 가설을 강력하게 뒷받침합니다.
• LECA(마지막 공통 진핵 조상)가 출현하기 전에 이미 복잡한 세포 구조와 cytoskeleton이 진화하고 있었다는 것을 보여줍니다.
• 이는 진핵생물의 기원이 Asgard 고세균과의 공생(특히 Alphaproteobacteria와의 미토콘드리아 공생) 과정에서 더욱 자연스럽게 설명될 수 있게 해줍니다.

L. ossiferum 세포의 복잡하고 다양한 구조 (Complex and variable architecture)

이 그림은 Lokiarchaeum ossiferum의 실제 모습을 여러 각도에서 보여주는 핵심 도판입니다.

주요 내용 요약

• a, b: 주사전자현미경(SEM) 이미지 → 세포가 길고 복잡한 가지(돌기, protrusions)를 여러 개 가지고 있으며, 마치 작은 문어나 신경세포처럼 생겼습니다. 기존에 알려진 대부분의 고세균(단순한 막대나 구형)과 완전히 다른 모습입니다.
• c, e: 극저온 전자단층촬영(cryo-ET) 단면 이미지 → 세포 몸통(cell body)과 길게 뻗은 돌기(protrusion) 내부를 보여줍니다. 주황색 화살표: 세포골격 필라멘트(filaments) 파란색 화살표: 막 구조(membrane)와 표면 구조
• d, f: 3D 모델링 도식 → 세포 내부에 노란색으로 표시된 필라멘트(액틴 유사 세포골격)가 세포 몸통과 모든 돌기까지 광범위하게 뻗어 있는 것을 명확히 보여줍니다. 회색 점: 리보솜, 파란색: 막
• g~l: 고배율 확대 이미지 → 세포골격 필라멘트가 돌기 내부를 어떻게 지지하고 있는지, 분지(branching)와 수축(constriction) 부위를 자세히 보여줍니다.

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한눈에 보는 핵심 메시지

“Asgard 고세균은

이미 진핵생물에 버금가는 복잡한 세포 형태와 내부 골격을 가지고 있었다.”

이 세포들은 단순한 박테리아가 아니라,

가지가 많고, 내부에 탄탄한 cytoskeleton 네트워크를 가진 고도로 조직화된 구조를 지니고 있었습니다.

이는 LECA(마지막 공통 진핵 조상)가 출현하기 전에

이미 복잡한 세포 건축(complex cell architecture)이 진화하고 있었다는 강력한 증거입니다.

1. 배경

Asgard 고세균은

대부분 무산소(anaerobic) 환경에서 살고 있으며,

다양한 유기물을 이용할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

이번 연구에서는

맹그로브 숲 퇴적물(metagenome)에서

새로운 계통인 Hermodarchaeota를 발견했습니다.

2. 핵심 발견 Hermodarchaeota는 다음과 같은 대사 경로를 가진 유전자를 가지고 있습니다:

• Alkyl/benzyl-succinate synthase (알킬/벤질-숙시네이트 합성효소) → 석유나 환경 오염물질에 많은 알칸(alkanes)과 방향족 화합물(aromatics)을 분해하는 데 사용되는 핵심 효소입니다. (황산염 환원 세균에서도 발견되는 효소와 유사)
• Benzoyl-CoA pathway (벤조일-CoA 경로) → 방향족 화합물을 분해하는 중요한 대사 경로.
• 추가로 Wood-Ljungdahl pathway(아세틸-CoA 경로), 질산염 환원(nitrate reduction) 관련 효소도 보유.

→ 즉, Hermodarchaeota는

무산소 조건에서 탄화수소와 독성 방향족 물질을 에너지원으로 이용할 수 있는

강력한 대사 유연성을 가진 것으로 밝혀졌습니다.

Hermodarchaeota와 Asgard 고세균의 연관성 정리

1. Hermodarchaeota는 Asgard 고세균(Asgardarchaeota)의 한 계통(phylum)입니다.

Asgard는
“슈퍼필럼(Superphylum)” 또는 “Asgard 그룹”이라고 불리는 큰 집합이고,
Hermodarchaeota는 그 안에 속하는 하나의 독립된 계통입니다.

2. 자세한 관계도 Asgard 고세균은 현재까지 알려진 주요 계통(Phyla)으로 다음과 같이 나뉩니다:

• Heimdallarchaeota
• Lokiarchaeota (가장 잘 알려진 그룹, Lokiarchaeum ossiferum 포함)
• Thorarchaeota
• Odinarchaeota
• Hermodarchaeota ← 이번 논문에서 새로 발견
• Gerdarchaeota, Helarchaeota 등 (최근 발견)

→ Hermodarchaeota는 Asgard 슈퍼필럼에 속하는 형제 계통 중 하나입니다.

3. 의미

• Asgard 고세균이 단순히 “진핵생물의 조상 후보”가 아니라, 환경 정화와 탄소 순환에도 중요한 역할을 한다는 점을 보여줍니다.
• 다양한 Asgard 그룹(Heimdallarchaeota, Lokiarchaeota, Hermodarchaeota, Thorarchaeota 등)이 각자 다른 대사 전략을 가지고 있다는 것을 확인.
• 이는 Asgard 고세균 전체가 대사적으로 매우 유연(metabolic flexibility)하다는 증거입니다.

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이전 논문(Lokiarchaeum, 2023)과의 연결

항목Lokiarchaeum (2023, Nature)Hermodarchaeota (2021, ISME J.)

주요 특징	복잡한 세포골격(cytoskeleton)	강력한 탄화수소 분해 대사
기여	세포 구조(뼈대)	대사 유연성(에너지 생산)
건생병사 연결	“Asgard가 준 세포의 뼈대”	“Asgard가 준 대사의 유연성”

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“Asgard 고세균의 다양성은 놀랍습니다. 2023년 Nature 연구에서는 Lokiarchaeum이 이미 복잡한 액틴 기반 세포골격을 가지고 있음을 보여주었고, 2021년 ISME Journal 연구에서는 Hermodarchaeota가 무산소 환경에서 알칸과 방향족 화합물을 분해하는 강력한 대사 능력을 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 이는 우리의 세포 조상 LECA가 Asgardarchaeota로부터 세포 구조와 대사 유연성이라는 두 가지 핵심 선물을 받았다는 사실을 뒷받침합니다. 발효와 호흡을 오가며 어떤 환경에서도 적응하는 LECA-level metabolic flexibility의 원천이 바로 여기에 있습니다.

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(26)00330-1

1. 연구 배경

진핵세포의 기원은

고대 미생물 매트(microbial mat)에서

황산염 환원 세균과 수소 생산 고세균의 공생(symbiosis)에서 시작되었다는 가설이有力합니다.

이번 연구는 그 가설을 실제로 테스트하기 위해,

호주 Shark Bay의 미생물 매트 환경을 모사한 실험 조건에서

Asgard 고세균을 배양했습니다.

2. 핵심 발견

• 새로운 Asgard 계통: Nerearchaeum marumurumayae (Nerearchaeum 속)
• 배양 성공률: 89% (현재까지 Asgard 고세균 중 최고 순도)
• 특징:
  • 세포 몸통에 연쇄적으로 연결된 budded vesicles(싹틔운 소포 구조)를 가지고 있으며, 이는 세포 외 섬유(extracellular fibers)로 연결되어 있습니다.
  • 세균(Stromatodesulfovibrio nileamae)과 함께 공생 관계로 존재.
  • 두 생물은 세포간 나노튜브(intercellular nanotubes)를 통해 직접 상호작용하는 것이 관찰됨.
• 대사 능력 (N. marumurumayae):
  • 수소(H₂), 아세테이트, 포메이트, 황화물 등을 생산할 수 있음.
  • 세균은 아미노산과 비타민을 공급하는 것으로 추정.

3. 의미

이 연구는

현대 환경에서 고대 공생 과정을 직접 관찰할 수 있게 해준 최초의 사례 중 하나입니다.

Asgard 고세균과 세균이 나노튜브를 통해 물질을 교환하고,

서로 의존하며 사는 모습은 진핵세포 기원의 초기 단계를 보여주는 살아있는 증거로 평가됩니다.

Nerearchaeum marumurumayae는

일반적인 고세균과 달리 매우 복잡하고 아름다운 세포 구조를 가지고 있습니다.

큰 원형 세포 몸통에 여러 개의 작은 vesicle(소포)들이 사슬처럼 연결되어 있고,

세포 외부에 섬유 구조가 발달해 있습니다.

패널별 설명

A (전자현미경 사진)

• 큰 원형 세포 몸통과 그 주위에 사슬처럼 연결된 작은 vesicle들이 보입니다.
• 마치 목걸이처럼 생긴 구조가 특징입니다.

B (3D 재구성, 색상 강조)

• 파란색: 세포막과 vesicle
• 흰 점: 리보솜 등 내부 성분
• 초록색 화살표: vesicle이 세포에 부착되는 부위
• 주황색 화살표: extracellular fibers (세포 외 섬유) → vesicle들이 섬유로 연결되어 세포 몸통에 매달려 있는 모습이 명확히 보입니다.

C (단면 확대)

• 빨간 화살표가 가리키는 부분: 세포 외 섬유가 길게 뻗어 있는 모습.
• 세포가 주변 환경과 적극적으로 상호작용하고 있음을 보여줍니다.

D (3D 모델, 색상 강조)

• 파란색: 세포막
• 주황색: 복잡하게 얽힌 extracellular fibers (섬유망) → 세포가 섬유를 통해 주변과 연결되어 “사회적”으로 살아가는 모습을 극적으로 보여줍니다.

E (전자현미경)

• 빨간 화살표: 여러 vesicle들이 사슬 형태로 연결된 모습.
• vesicle들이 budding(싹틔움) 과정을 통해 만들어지고 연결되는 것을 확인할 수 있습니다.

F (3D 재구성 + 세균)

• 가운데 노란색 막대 구조: 함께 공생하는 황산염 환원 세균(Stromatodesulfovibrio)
• 세균과 Asgard 고세균이 밀접하게 상호작용하는 모습.

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이 구조가 의미하는 것

1. 복잡한 세포 건축: Asgard 고세균이 단순한 원핵생물이 아니라, 이미 진핵세포에 가까운 복잡한 형태를 가지고 있었다는 증거.
2. 강력한 공생 능력: vesicle + extracellular fibers + intercellular nanotubes를 통해 세균과 물질 교환과 직접적 상호작용을 한다는 점.
3. 고대 공생의 현대판: 고대 미생물 매트에서 진핵세포가 탄생하는 초기 과정을 오늘날 직접 관찰할 수 있게 해줍니다.

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“2026년 연구에서 발견된 Nerearchaeum marumurumayae는

큰 세포 몸통에 사슬처럼 연결된 vesicle들을 세포 외 섬유로 고정하고,

주변 세균과 나노튜브로 직접 소통하며 살고 있었다.

이는 20억 년 전 Asgard 고세균들이

다양한 미생물들과 협력하며 LECA를 만들어가는 그 순간을,

현대에서 생생하게 재현한 장면이다.

우리 몸 안의 세포가 가진 놀라운 협력과 유연성의 기원이 바로 여기에 있다.”

아스가드 고세균 주요 기능별 정리

1. 세포막 수송 시스템 (위쪽)

• 아미노산, 펩타이드, 비타민, 당류(갈락토스, 글루코스, 트레할로스, 자일로스 등), 핵염기 등 다양한 유기물을 수입할 수 있는 수송체(transporter)가 풍부합니다.
• 무기물(인산, 아연, 몰리브덴, 칼슘, 철 등)도 적극적으로 수송.
• Heliorhodopsin (빛을 이용한 양성자 펌프)도 가지고 있어 빛 에너지도 활용 가능.

2. 탄수화물 분해 (Glycolysis 중심)

• 다양한 당을 분해해 pyruvate로 전환.
• RuMP pathway, NOPP pathway 등을 통해 C1 화합물(포름알데히드)도 처리 가능.
• MBWLP 경로를 통해 추가적인 에너지 생산.

3. 에너지 및 중심 대사

• Pyruvate → acetyl-CoA → TCA 회로 연결.
• β-oxidation으로 지방산 분해.
• Isoprenoid biosynthesis, SCFA(단쇄지방산) 생산.
• H₂ 생산 능력 (여러 경로에서 H₂를 만들어 세균에게 공급).

4. 황 대사 (Sulfur metabolism) — 매우 중요

• Sulfate → sulfite → sulfide 변환.
• Hdr (heterodisulfide reductase) 복합체를 이용한 에너지 보존.
• 산화적 스트레스(ROS) 대응 시스템(Kat, Nlr, Prx, Rbr)도 잘 갖춰져 있음.

5. 기타 특징

• Arch aellum (고세균의 편모)으로 움직임.
• Chemotaxis (화학물질 감지 후 이동).
• Osmotic balance (삼투압 조절), Oxidative stress 대응.
• Encapsulin (철 저장 단백질) 등 보호 시스템.

이 그림은

Asgard 고세균(Loki-ASV2)과 황산염 환원 세균(Desulfo-ASV1)이

어떻게 서로 협력하며 사는지를 가장 명확하게 보여주는 대사 상호작용도입니다.

Loki-ASV2 (Asgard 고세균)와

Desulfo-ASV1 (세균)은 완전한 상호의존적 공생(syntrophic partnership) 관계입니다.

한쪽이 만들어낸 물질을 다른 쪽이 소비하고,

반대로 에너지와 영양을 주고받는 완벽한 팀워크를 보여줍니다.

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양쪽의 역할 정리

🟦 Loki-ASV2 (Asgard 고세균, 왼쪽)

• 주요 역할: 유기물을 분해하고 에너지 중간체를 생산하는 “공급자”
• 이용하는 것: Sugars, Peptides (단백질 분해물)
• 생산하는 것:
  • H₂ (수소)
  • Acetate, Lactate, Formate
  • Thiosulfate, Sulfide 관련 물질
• 내부 대사: Fermentation (발효), Sulfur reduction (황 환원), Central carbon metabolism

🟩 Desulfo-ASV1 (황산염 환원 세균, 오른쪽)

• 주요 역할: Loki가 만든 중간체를 소비하고, Loki가 좋아하는 환경을 만들어주는 “처리자”
• 이용하는 것: H₂, Acetate, Lactate, Formate 등
• 하는 일:
  • Anaerobic respiration (무산소 호흡)으로 전자(e⁻)를 sulfate로 전달
  • Sulfate → Sulfite → Sulfide 변환
• Loki에게 제공: Vitamins, Amino acids, Phospholipids (세포막 성분)

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공생의 순환 (가장 중요한 부분)

1. Loki는 sugars와 peptides를 발효하면서 H₂, acetate, lactate, formate 등을 배출.
2. Desulfo는 이 물질들을 받아 무산소 호흡으로 에너지를 만들고, sulfide를 생산.
3. Desulfo가 만든 sulfide와 thiosulfate는 다시 Loki의 sulfur metabolism에 사용.
4. Desulfo는 Loki에게 비타민, 아미노산, 세포막 성분을 공급.
5. Loki는 Desulfo가 필요로 하는 H₂와 유기산을 지속적으로 공급.

→ 이 순환이 서로에게 이익이 되는 상호공생(syntrophy)입니다.