생명의 진화사 탐구!! 시아노박테리아 --＞ 엽록체 내공생, 질소 고정

[문형철]

엽록체는 단계통이며,

가장 가까운 자유생활 조상은 **N₂ 고정 단세포 남조류(Chroococcales, subsection I)**이고,

이형세포(heterocyst)를 만드는 Nostocales가 자매군이다.

시나노박테리아의 산소발생 광합성은 고원생대(Archaean)까지 올라갈 수 있고,

엽록체 자체는 **중원생대(mid-Proterozoic)**에 나타난다는 분자시계 결과를 제시한다.

배경

남조류(시아노박테리아)는

산소발생 광합성을 처음 수행해 대기 조성을 바꾸고

호기성 진핵생물 진화를 가능하게 한 핵심 생물이다.

엽록체가 남조류 내공생에서 왔다는 점은 이미 널리 받아들여지지만,

어느 남조류 계통에서 왔는지, 언제 갈라졌는지는 당시까지 명확하지 않았다.

이 논문은 계통발생 + 분자시계로 그 조상과 시기를 추정한다.

방법 (요지)

• 유전자: 16S rDNA, rbcL, 그리고 두 유전자 결합 데이터.
• 계통분석: 최우도(PAUP), 베이지안(MrBayes).
• 분자시계: r8s (penalized likelihood). 남조류 뿌리 나이를 35억 년 또는 27억 년으로 고정한 두 시나리오를 비교.
• 형질: N₂ 고정 능력, 이형세포 유무를 나무에 올려 출현 시점을 추론.

핵심 결과

1. 엽록체는 단계통이다.
2. 엽록체와 가장 가까운 현생 그룹은 subsection I의 N₂ 고정 단세포 남조류(Chroococcales).
3. **Nostocales(이형세포 형성 사상성 남조류)**가 그 자매군.
4. Nostocales·Chroococcales는 **고원생대(Paleoproterozoic)**에 나타남.
5. 엽록체 계통은 **중원생대(mid-Proterozoic)**에 나타남.
6. 남조류의 N₂ 고정 능력은 한 번만 생긴 것으로 보이며, 시기는 후기고원생대~전기원생대(late Archaean–early Proterozoic).
7. 산소발생 남조류 자체는 **고원생대(Archaean)**에도 이미 있었을 수 있다.

분자시계 예시 (논문 Table 1 요지, 단위 MYA):

노드뿌리 35억 년 (평균)뿌리 27억 년 (평균)

N₂ 고정 출현 (16S)	~3056	~2481
Heterocyst / 단세포 N₂고정 + 엽록체	~2844	~2584

(결합 데이터·rbcL도 비슷한 구간)

저자들의 해석

내공생의 “좋은 포획물”은

• 산소발생 CO₂ 고정으로 전분(starch)을 저장하고
• 대기 N₂를 고정할 수 있는
  자유생활 남조류였을 가능성이 크다.
  이런 세포가 진핵 숙주 안으로 들어가 엽록체가 되었다는 그림이다. (질소 공급이 초기 내공생의 이점이었다는 당시 다른 연구와도 맞닿아 있다.)

한계 (2010년 논문으로서)

• 분류·표본이 당시 기준으로 Chroococcales/Nostocales에 맞춰져 있다.
• 이후 연구(예: Gloeomargarita가 엽록체와 더 가깝다는 계통유전체 결과, ~21억 년 분기 추정 등)는 조상 후보와 시기를 더 깊게/다르게 재배치했다.
• 따라서 이 논문은 **“엽록체 조상 = N₂ 고정 단세포 남조류 + Nostocales 자매군, 중원생대 출현”**이라는 2010년 시점의 고전적 분자시계 해석으로 읽는 것이 정확하다

시아노박테리아(남조류)의 질소고정은

**“산소발생 광합성을 하면서도,

산소에 극도로 약한 효소로 대기 질소(N₂)를 암모니아로 바꾸는 일”**입니다.

앞 논문에서

엽록체 조상이 **N₂ 고정 단세포 남조류(Chroococcales)**이고

자매군이 이형세포를 만드는 Nostocales라고 한 이유가 바로 이 능력입니다.

1. 반응이 무엇인가

핵심 효소는 **니트로게나아제(nitrogenase)**입니다.

N2+8H++8e−+16 ATP→2NH3+H2+16 ADP+16 Pi\mathrm{N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16\,ATP \rightarrow 2NH_3 + H_2 + 16\,ADP + 16\,P_i}N2​+8H++8e−+16ATP→2NH3​+H2​+16ADP+16Pi​

• 생성물은 곧 **암모늄(NH₄⁺)**이 되고, GS–GOGAT 경로로 글루타민·글루탐산으로 들어갑니다.
• 에너지 비용이 매우 큽니다(N₂ 결합이 매우 강함).
• 효소는 보통 **Mo-질소효소(Nif)**이며, 일부 종은 V-형(Vnf)·Fe-형(Anf)도 가집니다.
• 최소 핵심 유전자는 흔히 nifHDKENB 등으로 묶입니다. nifH가 디니트로게나아제 환원효소, nifDK가 촉매 성분입니다.⁠Wikipedia

결정적 문제: 니트로게나아제는 산소에 바로 불활성화됩니다. 그런데 남조류는 낮에 광계 II로 물을 분해해 O₂를 만듭니다. 그래서 “같은 세포·같은 시간에 두 일을 하면 효소가 죽는” 모순이 생깁니다. 남조류의 진화는 이 모순을 푸는 전략의 역사입니다.⁠Pmc.ncbi.nlm.nih

남조류가 하는 일

공기 속 질소(N₂)는 거의 안 깨지는 분자입니다.
두 질소 원자가 아주 단단히 붙어 있어서, 식물도 사람도 그대로는 못 씁니다.
남조류 일부는 이걸 **암모니아(NH₃ / NH₄⁺)**로 바꿉니다.
암모니아가 되어야 아미노산, 단백질, 핵산을 만들 수 있습니다.
이 일을 하는 효소가 니트로게나아제입니다.

반응을 일상어로 필요한 것:

• 공기 질소 1개
• 전자 8개 (환원력)
• 수소이온
• ATP 16개 (에너지)

나오는 것:

• 암모니아 2개
• 수소 기체 1개
• 다 쓴 ATP

비유하면,
아주 단단한 자물쇠를 16번 힘주어 열어 질소 두 덩어리를 꺼내는 일입니다.
그래서 “비싸다”고 합니다.
빛으로 만든 에너지의 상당 부분을 여기에 씁니다.

만들어진 암모니아는
바로 글루타민·글루탐산으로 들어가 세포 질소가 됩니다.

왜 문제가 되나

니트로게나아제는
산소를 만나면 바로 망가집니다.

그런데
남조류는 낮에 광합성하면서 물을 쪼개 산소를 만듭니다.

즉,

• 낮에 산소 만들기 (광합성)
• 질소 고정하기 (니트로게나아제)

이 둘이 같은 방, 같은 시간에 있으면 효소가 죽습니다.

그래서 남조류는 둘을 떼어 놓습니다.

• 자리 분리: 이형세포라는 특수 방에서만 질소를 고정하고, 옆방은 광합성만 함
• 시간 분리: 낮에는 광합성, 밤에는 질소 고정
• 어떤 종은 군집 한가운데처럼 산소가 적은 곳에서만 함

한 줄 공기 질소를 쓰려면 비싼 효소가 필요한데, 그 효소는 산소를 싫어한다. 남조류는 광합성과 질소고정을 방(이형세포)이나 시간(밤)으로 나눠서 그 모순을 푼다.

2. 산소를 피하는 세 가지 큰 전략

A. 공간 분리 — 이형세포(heterocyst)

사상성 남조류 Nostocales(예: Anabaena, Nostoc)가 대표입니다.

결합태 질소가 부족하면 사상체 중 약 10번째 세포마다 이형세포로 분화합니다.

이형세포가 하는 일:

• 광계 II를 꺼서 O₂를 만들지 않음 (광계 I만 남겨 ATP 생산)
• 두꺼운 당지질·다당 외피로 O₂ 유입을 제한
• 호흡을 높여 들어온 산소를 소모 → 미세혐기(microoxic) 환경
• 질소효소를 여기서만 작동
• 고정된 질소를 시아노파이신(cyanophycin) 등으로 저장·이웃 영양세포에 전달
• 영양세포는 광합성으로 만든 **당(환원력)**을 이형세포에 보냄

분화는 비가역에 가깝고, 사상체가 자라 이형세포 간격이 벌어지면 가운데에 새 이형세포가 생깁니다. 원핵생물에서 보기 드문 세포 분화·패턴 형성입니다.⁠Pnas

앞 논문의 “Nostocales가 엽록체 자매군”이라는 주장은, 질소 공급 능력 + 전분 저장형 광합성이 내공생에 유리했을 것이라는 해석과 맞닿아 있습니다.

B. 시간 분리 — 낮에 광합성, 밤에 질소고정

단세포·비이형세포 남조류(Cyanothece, Gloeothece, 많은 Crocosphaera 등)의 주전략입니다.

• 낮: 광합성 → 글리코겐 축적
• 밤: 광합성이 꺼지고 호흡이 O₂를 낮춤 → 질소효소 작동
• 고정 질소는 저장고에 쌓였다가 낮에 사용
• 일부는 일주기(circadian) 시계가 nif 발현을 밤에 맞춥니다.⁠Doi

앞 논문의 **subsection I N₂ 고정 단세포(Chroococcales)**가 바로 이 그룹에 가깝습니다.

C. 부분적 공간 분리 / 공생 / 혐기

• Trichodesmium: 이형세포는 없지만 사상체 일부 구간(diazocyte)에서 낮에도 질소를 фикси. 군집 중심의 저산소·대사 분업이 관여합니다.
• UCYN-A 같은 공생 단세포: 광계 II 유전자를 잃어 O₂ 생산을 줄인 채 숙주(일부 해조)와 산다. “니트로플라스트”에 가까운 사례로도 논의됩니다.
• 일부 종은 혐기·미호기 조건에서만 고정합니다.⁠Openprairie.sdstate

3. 조절

• 질소 상태: 암모늄·질산염이 있으면 NtcA 등으로 nif를 억압. 결핍이 되면 유도.
• 이형세포: HetR 등 분화 회로 + PatS/HetN 같은 억제 펩타이드로 간격 패턴 유지.
• 산소·환원력·ATP: 효소 조립(FeMo-cofactor)과 전자 공급(페레독신 등)이 모두 맞아야 함.
• 일부 종(Anabaena variabilis)은 이형세포용 Nif-1과, 혐기에서 영양세포도 쓰는 Nif-2처럼 두 세트의 질소효소를 가집니다.

4. 진화·지구사와의 연결

• 질소고정은 세균·고세균만 합니다. 식물은 못 합니다(엽록체에 그 효소가 남아 있지 않음).
• 남조류 안에서는 nif가 공통조상에서 한 번 들어온 뒤, 여러 계통에서 반복적으로 소실되어 “모자이크 분포”가 생겼다는 유전체 연구가 있습니다. 앞 논문의 “N₂ 고정은 한 번만 생겼다”는 해석과 방향이 같습니다.⁠Pmc.ncbi.nlm.nih
• 고원생대 후기~원생대 초기에 산소가 늘기 시작하면서, 산소와 공존하는 질소고정이 해양·담수 질소 순환의 핵심이 되었습니다.
• 오늘날에도 외양 질소 공급의 상당 부분을 Trichodesmium, UCYN-A, Crocosphaera 같은 남조류가 담당합니다.

5. 한눈에 정리

유형대표광합성 vs N₂ 고정산소 대책

이형세포 사상체	Anabaena, Nostoc	동시에 가능	공간 분리
단세포 주야 분리	Cyanothece	낮 / 밤	시간 분리
비이형 사상체	Trichodesmium	낮에도 일부 세포	diazocyte·군집
공생·축소 유전체	UCYN-A	숙주와 분업	PSII 소실 등

핵심 한 문장:

시아노박테리아의 질소고정은 “니트로게나아제 + 16 ATP”라는 비싼 화학반응을,

이형세포(공간) 또는 밤(시간)으로 산소와 떼어 놓은 생물학적 해결책입니다.

앞 논문이 엽록체 조상으로 지목한 그룹들은 바로 이 해결책을 이미 갖춘 남조류입니다.