겨우 5만 개…작은 곤충 속 더 작은 공생 박테리아가 지닌 역대 가장 짧은 유전자 [지구를 보다]

인간의 세포는 눈에 보이지 않는 작은 단위이지만, 사실 그 안에는 하나의 도시에 비유할 수 있을 만큼 복잡한 구조가 존재한다. 예를 들어 공장에 해당하는 리보솜이나 발전소 역할을 하는 미토콘드리아, 그리고 정보를 저장하는 도서관 같은 핵이 그것이다. 식물 세포의 경우에는 태양광 발전소인 엽록체도 존재한다. 작은 세포 안에 이렇게 복잡한 구조가 생겨난 비결은 바로 ‘공생’이다.

우리 몸속 미토콘드리아와 식물 세포의 엽록체는 수십억 년 전 독립적으로 살던 박테리아가 다른 세포 안으로 들어가 공생을 시작하면서 점차 유전자를 잃고 숙주의 일부로 통합되어 오늘날의 소기관이 됐다는 게 현재 과학계의 주도적 가설이다. 계통학적 증거와 유전체 비교, 구조적 유사성 등 다양한 근거가 이 가설을 뒷받침한다. 다만 오래전 일이라 그 중간 과정에 대해서는 여전히 모르는 부분이 많다.

다행히 자연에는 오래전 일어났던 세포 소기관 전환 과정을 자세히 엿볼 수 있는 사례들이 남아 있다. 예를 들어 다른 생물의 세포 안에서 오랜 세월 살아가는 세포내 공생 박테리아는 숙주에 의존하면서 유전자를 점점 잃는 경향이 있다. 이런 공생 관계를 연구하면 박테리아가 어떻게 점차 독립성을 잃고 숙주의 일부로 흡수되는지를 추정할 수 있다.

폴란드 야기에우워 대학의 안나 미찰리크(Anna Michalik)와 동료들은 작은 곤충인 멸구(planthopper)에 서식하는 세포내 공생 미생물 술치아(Sulcia)와 비다니아(Vidania)의 유전자를 대규모로 비교·분석했다. 연구는 149종의 멸구에서 채취한 131개의 공생 미생물 균주를 대상으로 진행되었고, 그 결과 이 공생 미생물의 유전자가 일반적인 세균보다 훨씬 작게 축소되어 있음을 확인했다. 술치아의 유전자는 대략 137,729–180,379 bp (base pair, 유전자 길이의 단위인 염기쌍) 비다니아는 50,141–136,554 bp 수준인데, 일부 균주는 약 50 kb(약 5만 염기쌍) 수준에 불과했다.

이는 역대 가장 짧은 박테리아 유전자로 사실 독립적인 생명 활동이 어려운 짧은 유전자다. 일반적인 세균인 대장균(Escherichia coli)의 유전자는 약 4.6 Mbp(약 460만 bp)에 달하고, 자유 생활이 가능한 가장 작은 균으로 알려진 일부 종은 작아도 50만 개 단위의 염기상을 지닌다. 반면 이번에 확인된 비다니아의 유전자는 5만 개까지 줄어들어 독립적인 대사 능력이 거의 남아 있지 않음을 시사한다. 인간의 유전자가 약 31억 bp(3.1 Gb)인 점과 비교하면 얼마나 짧은 지 짐작할 수 있다.

초소형 유전자를 지닌 공생 미생물은 대부분의 아미노산 합성 경로와 여러 세포 기능 관련 유전자를 잃어 숙주에 절대적으로 의존해 살아간다. 반면 숙주 역시 이들이 제공하는 물질에 크게 의존한다. 결국 숙주는 공생체가 제공하는 필수 영양소에 의존하게 되고, 공생체는 숙주가 제공하는 환경과 자원에 의존하게 되어 하나의 생명체처럼 기능하는 상황에 이른다. 이번에 발견된 공생 미생물은 그 직전 단계로 독립된 세균과 완전한 세포 소기관의 중간에 해당하는 것으로 보인다.

이번 연구에서 과학자들은 작고 하찮아 보이는 곤충과 그 작은 곤충의 세포 속에 사는 더 작은 미생물을 연구해 많은 정보를 얻고 큰 깨달음도 얻었다. 하지만 진핵생물의 진화에 대해서 아직도 모르는 부분이 많이 남아 있다. 앞으로도 과학자들은 다른 세포 속에 살아가는 작은 미생물을 연구해 아직 밝혀지지 않은 미스터리를 풀어나갈 것이다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com