::포장기기제조전문 삼보테크::

 

   
  <포식자> 2장. 태초에 세포가 있었다(2)
  글쓴이 : 전파과학사     날짜 : 20-04-02 09:46     조회 : 105     트랙백 주소

  •  최초의 식세포를 둘러싼 논란
논란의 여지는 있지만, 초기 식세포는 아마도 혐기성 세균인 것으로 생각된다.

앞서 언급했듯 혐기성 세균은 포도당을 한 분자를 분해해서 겨우 2개의 ATP만을 얻을 수 있다.

만약 스스로 산소를 이용해서 TCA 회로를 돌릴 수 있다면 힘들게 미토콘드리아와 공생할 이유가 없다.

이 원시 식세포가 미토콘드리아의 조상을 집어삼켰는데, 그중 일부는 쉽게 소화되지 않고 오히려 그 안에서 살아남았던 것 같다.

결국, 시간이 흐르면서 이들은 공생하게 되었고 나중에는 세포 속에서만 살 수 있는 세포 소기관이 되었다는 이야기다.

 
그런데 사실 이 과정도 반대의 관점에서 해석할 수 있다.

어쩌면 진짜 포식자는 초기 호기성 세균인 미토콘드리아일지도 모른다.

일부 가설에서는 이 세균이 다른 세균에 기생하면서 필요한 물질을 강탈한 것으로 보고 있다.

이 경우라도 물론 결론은 다르지 않다. 혐기성 세균 안에 자리 잡은 호기성 세균은 서로 협력할 수 있다.

혐기성 세균이 해당과정을 마치고 남은 부산물에는 아직 많은 에너지가 남아있다.

이를 산소를 이용해서 TCA 사이클과 전자 전달계에서 분해하면 훨씬 많은 ATP가 생성된다.

혐기성 식세포는 원료를 공급하고 호기성 기생 세포는 ATP를 제공하면 서로 이득이다.

결국 시간이 흐르면서 이들은 한 몸처럼 진화했다는 것이다.
 

과학자들은 초기 식세포 가설 쪽에 좀 더 무게를 두고 연구를 진행했다.

옥스퍼드 대학의 생물학자인 토마스 카발리어 – 스미스(Thomas Cavalier-Smith) 교수는 이 원시 식세포에 아케조아Archezoa라는 이름을 부여했다.

아케조아는 이제 막 핵을 확보한 원시 진핵생물로 아직 미토콘트리아나 엽록체처럼

현대 진핵생물에서 볼 수 있는 현대적인 문명의 이기를 갖추지 못한 원시 생명체다.

마치 농업혁명 이전에 원시 수렵채집인처럼 아케조아는 다른 세균을 수집·포획해서 영양분을 흡수하지만,

에너지 추출 과정에서 산소를 사용하지 못하는 혐기성 생물이라 에너지 효율은 매우 낮았다. 하지만 한 가지 큰 장점도 가진 생물이었다.

그 장점이란 두꺼운 세포벽이 없다는 점이다.

필자가 어린 시절 봤던 만화 중에는 고무 인간을 소재로 한 것이 있었다.

제목은 기억 안 나지만 몸이 고무처럼 쭉쭉 늘어났다가 본래대로 되돌아오는 초능력을 가진 주인공이 등장한다.

그런데 이 주인공이 딱 맞는 타이트한 정장을 입고 있다면 어떻게 될까?

몸을 길쭉하게 늘어뜨리는 순간 옷이 모두 찢어지면서 만화의 장르가 좀 바뀌게 될 것이다.

세균도 마찬가지다.

세포벽은 원핵생물이 살아가는데 중요한 기관이지만, 이게 있으면 아메바처럼 흐느적거리는 세포질로 먹이를 둘러싸서 잡아먹는 식세포 작용을 하기 어렵다.

세포벽은 그렇게 유연하게 늘어나는 물질이 아니기 때문이다.

 
동시에 식세포 작용을 하는 데는 한 가지 더 중요한 물건이 필요하다.

몸이 연체동물처럼 흐느적거릴 뿐 아니라 움직일 수도 있어야 한다.

이를 위한 세포내 골격과 필라멘트 구조물이 있어야 하는 것이다.

따라서 아케조아는 제법 복잡한 조건을 가진 생물이지만,

그래 봐야 세포 하나 크기이므로 이런 모든 특징을 간직한 채 미세 화석이 되어 발견을 기다릴 가능성은 희박하다.

대신 이런 특징을 지닌 후손이 아직 진화되지 않은 채 살아있는 화석으로 존재할지 모른다.

원시적인 진핵세포로 식세포 작용이 가능하지만, 아직 미토콘드리아 같은 문명의 이기를 지니지 못한 원시 세포가 어딘가 있지 않을까?

사실 미토콘드리아가 없는 진핵생물도 존재한다.

다만 이들 중 상당수는 본래는 미토콘드리아가 있었지만,

나중에 필요 없어서 퇴화한(주로는 기생 생활을 하기 때문이다) 녀석들로 아케조아의 후보가 되기에는 적당하지 않다.

그러나 과학자들은 포기하지 않고 아케조아가 후보가 될 법한 아주 원시적인 진핵세포를 찾아냈다.

이 후보 가운데 가장 유력했던 녀석은 바로 이름도 적당한 고아메바Archamoebae이다.

유전자 분석 결과는 이 하등한 아메바가 진핵생물 진화의 아주 초기인 20억 년 전에 다른 그룹과 갈라졌다는 가설을 지지한다.

동시에 미토콘드리아도 없다.

이 원시 아메바는 ① 핵을 가지고 있는 진핵세포 ② 식세포 작용을 통해 먹이를 먹는 포식자 ③ 미토콘드리아가 없다는

특징을 지녀 아케조아의 매우 이상적 후보로 보였다.
 

하지만 이 이론에 심각한 문제가 발생한다.

이 문제를 설명하기 위해서 아마존의 깊숙한 오지로 탐험을 떠난 인류학자를 상상해보자.

그는 수렵 채집인 시절 인류가 원시적인 부싯돌을 이용해서 불을 얻었다는 가설을 입증하기 위해

온갖 역경을 이겨내고 한 번도 문명과 접촉한 적이 없는 원시 부족을 찾아냈다.

하지만 이들에게 이방인은 환영받지 못하는 존재였다.

여기에 굴하지 않고 오랜 시간 갖은 노력 끝에 부족민의 신뢰를 얻은 인류학자는 이들의 삶을 더 가까이서 지켜볼 수 있게 된다.

그리고 마침내 그가 목격한 것은 원주민이 라이터를 이용해서 불을 피우는 장면이었다!

사실 아직 말을 못했을 뿐 이 원주민들은 이미 문명인과 오래 전 접촉해서 문명의 이기를 편리하게 사용해 오고 있었다.
 

아케조아 역시 비슷한 문제를 겪었다.

알고 보니 이들의 유전자에 이전 미토콘드리아에서 유래한 것으로 보이는 유전자가 발견된 것이다.

동시에 아직 미토콘드리아를 일부 지닌 고아메바가 발견되면서

사실 이 녀석들도 기생 생활 등의 이유로 미토콘드리아가 퇴화된 진핵세포라는 사실이 발견되었다.

쉽게 말해 원시적이긴 하지만 문명의 이기라 할 수 있는 미토콘드리아와 전혀 접촉한 적이 없는 세포가 아니었던 것이다.

두 번째 문제는 더 결정적이었다.

진핵생물의 DNA와 여러 세균, 고세균의 유전자 비교는 진핵생물에 가장 가까운 원시 생물이 고세균, 특히 메탄생성균이라는 점을 시사했다.

문제는 이 녀석이 과학자들이 찾던 혐기성 원시 식세포가 아니라는 점이다.

왜일까?

 
『화성에서 온 남자 금성에서 온 여자』라는 책이 있었다.

필자는 읽어보지는 못했지만, 제목만 보더라도 어떤 내용인지 짐작할 수 있다.

남녀가 다른 행성에서 온 것처럼 다르다는 것은 우리가 익히 아는 사실이니 말이다.

가령 섭씨 500도의 고온과 100기압의 고압 환경인 금성에서 진화한 여성과

지구 기압의 1%에 불과하고 추운 환경인 화성에서 진화한 남자가 어떻게 같이 살 수 있을까?

그런데 미토콘드리아의 조상으로 추정되는 호기성 세균과 핵을 지닌 최초의 세포의 조상으로 생각되는 메탄생성균이 바로 이런 관계다.

호기성 세균은 산소가 있어야 살 수 있지만, 메탄생성균은 산소가 있는 환경을 매우 싫어하는 고세균이기 때문이다.

그래서 아케조아 이론이 폐기된 이후 여러 가지 대안적인 가설이 등장했다.

다만 이미 설명이 충분히 복잡해졌으므로 더 깊게 설명하지는 않을 생각이다.

 
필자가 이 내용을 처음 구상할 때는 아케조아 가설에 대해서 생각하고

‘인류를 포함한 진핵생물의 조상은 바로 포식자였다’라는 식으로 이야기를 끌어내려고 했다.

그러나 지난 수십 년간 많은 연구 결과가 발표되었고 아케조아 가설은 화석처럼 더 이상 살아있지 않은 유물이 되었다.

이 이야기는 닉 레인의 다른 저서인 『미토콘드리아: 박테리아에서 인간으로, 진화의 숨은 지배자』에 잘 설명되어 있다.

사실 이 책의 본래 제목은 ‘Power, Sex, Suicide - Mitochondria and the Meaning of Life’인데 한국어판이 나오면서 더 점잖은 제목으로 바뀐 것 같다.

미있는 사실은 바뀐 제목이 내용과 더 부합된다는 것이다.

더 흥미로운 사실은 닉 레인이 아케조아 가설의 대안으로 제시한 수소 가설도 이제는 어려움에 빠졌다는 것이다.

아무튼 최초의 진핵생물이 지구 최초의 포식자의 후손이라고 확언하기는 어려워 보인다.

다만 진핵생물 단계 이전에도 박테리아를 먹는 박테리아는 얼마든지 존재한다.

  • 포식성 박테리아가 인류의 희망?
미국 방위 고등 연구 계획국(DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency)은

군사 기술은 물론이고 여러 가지 선구적인 과학기술을 연구하는 대표적인 미연방정부 기관이다.

이들은 딱딱해 보이는 이름과는 달리 온갖 기상천외한 연구를 지원하는 것으로도 유명하다.

오늘날에는 최첨단 무기의 상징으로 여겨지는 스텔스 전투기 역시 DARPA의 연구 성과 중 하나다. 만약 DARPA에서 박테리아 연구를 지원한다면 어떨까?

처음 들을 때는 생물 무기를 개발하는 것으로 생각될 수 있으나 미국은 ‘공식적’인 생물 무기 개발을 포기한 상태다.

그런데 DARPA는 몇 년 전부터 공식적으로 포식성 박테리아predatory bacteria 연구를 지원하고 있다.
 

DARPA에서 박테리아를 먹는 박테리아의 연구를 지원하는 건 물론 그럴 만한 이유가 있다.

이 박테리아가 인간에게 골치 아픈 질병을 일으키는 병원성 박테리아의 자연적 천적이기 때문이다.

예를 들어 델로비브리오 박테리오보루스Bdellovibrio bacteriovorus나

미카비브리오 아에루지노사보루스Micavibrio aeruginosavorus 같은 포식성 세균은 인체에서 병원성을 일으키는 그람 음성균에 천적이다.

그리고 많은 병사가 부상 자체보다 부상 후 입은 2차 감염으로 인해 죽는 점을 감안하면

세균과 싸울 새로운 무기를 찾는 데 DARPA가 막대한 예산을 투입하는 것은 놀라운 일이 아니다.

하지만 좋은 항생제가 많이 나와 있는데 굳이 포식성 세균을 사용할 이유가 있을까?

 
항생제는 수많은 생명을 구한 현대 문명의 기적이지만, 한 가지 중요한 단점이 있다.

박테리아가 항생제 내성을 획득한다는 것이다.

인류가 페니실린을 비롯한 초창기 항생제를 개발했을 때는 전염성 질환이 머지않아 정복되는 것처럼 보였지만,

내성균이 차례로 등장하면서 감염성 질환은 다시 위험한 존재가 됐다.

문제는 내성균을 치료하기 위해서 새로운 항생제를 만들어도 언젠가는 새 항생제에 대한 내성을 지닌 세균 역시 등장한다는 것이다.

이유는 간단하다. 항생제 자체가 진화를 일으키는 힘으로 작용하기 때문이다.

 
생물 진화를 부정하는 일부 사람의 희망과는 달리 사실 진화는 어디서나 일어난다.

항생제를 투여한 환자의 몸 안에서도 예외는 있을 수 없다.

항생제에 내성을 지닌 돌연변이가 발생하면 곧 새로운 환경에 적응해서 번성하기 시작하고 우리는 이 과정을 막을 수 없다.

더구나 세균은 다른 세균에서 유전자를 받아들여 다음 세대까지 기다리지 않고도 내성을 빠르게 획득할 수 있다.

그러니 뭔가 항생제 이외에 다른 무기가 필요하다.

박테리아를 먹는 박테리아라니 기발한 대안이 아닌가?

 
2013년 학술지 플러스 원(PLOS One)에는 이 포식성 박테리아가 실제로 항생제 내성균을 효과적으로 잡아먹는지에 대한 연구가 실렸다.

연구팀은 세 종류의 포식성 박테리아와 14종 다약제 내성균(MDR, Multidrug-resistant)을 테스트했다.

이 다제내성균에는 폐렴간균Klebsiella pneumoniae이나 녹농균Pseudomonas spp, 대장균Escherichia coli 같은 흔한 병원균이 포함됐다.

연구 결과 내성이 있든 없든 간에 포식성 세균은 음식을 가리지 않고 잘 먹는다는 사실이 밝혀졌다.

더 흥미로운 건 세균이 세균을 먹는 방법이다.

  
대체 세균이 어떻게 다른 세균을 먹을까?

앞서 살펴봤듯이 식세포 작용이 가능하려면 여러 가지 진화적 단계를 거쳐야 한다.

세포벽도 없어져야 하고 세포 내 골격이 변해서 움직일 수도 있어야 하며 앞서 자세히 설명하지 않았지만,

먹이를 잡기 위해서 세포막 표면에 여러 가지 접착제 역할을 할 분자들도 있어야 한다.

사실 이 정도 복잡한 작용을 할 수 있다면 이미 진핵생물 단계에 들어선 것과 다름없다.

단순한 박테리아에게는 어려운 일이다. 그래서 델로비브리오는 정말 독특한 방법으로 세균을 먹는다.

 
델로비브리오는 세균계의 수영 챔피언이라고 할 수 있다.

이들은 강과 호수에 흔하게 사는 미생물로 이동 속도가 최대 160µm/s, 혹은 1초에 0.16mm에 달할 정도로 빠르다.

0.16mm는 작아 보이지만 세균의 크기를 생각하면 엄청난 속도다. 자기 몸길이의 100배나 되는 거리를 1초에 움직이기 때문이다.

키가 170cm 정도인 사람으로 치면 1초에 170m를 수영하는 것과 비슷하다.

이를 위해 델로비브리오는 한 개의 잘 발달된 극편모polar flagellum(한쪽 방향으로만 있는 편모)를 가지고 있다.

속도를 내기 위해 거추장스러운 장식은 제외하고 큰 엔진 하나를 장착한 것과 같다.

따라서 마치 어뢰처럼 한 쪽으로 움직여 목표를 공격한다.

 
공격이라는 표현이 잘 어울리는 이유는 빠른 속도와 길쭉한 몸통을 이용해 그람 음성균의 몸에 구멍을 내고 그 안으로 들어가기 때문이다.

일단 들어간 이후에는 잠시 세포 내부에 붙어 있다가 내용물을 파악한 후

극편모가 없는 반대 방향(굳이 표현하자면 머리에 해당하는 부분)을 이용해 완전히 세포 내부에 들러붙는다.

이후에는 세포 내의 물질을 조금씩 소화시켜 먹는 것이다.

다 파먹은 후에는 증식해서 여러 개의 델로비브리오가 된 후 껍데기만 남은 먹이 내부를 빠져나온다.

 
정말 기상천외한 방식이지만,

잘 생각해보면 그렇게 낯선 장면도 아닌 것 같다.

어딘지 모르게 바이러스나 혹은 말라리아 같은 기생충과 유사해 보이기 때문이다.

델로비브리오는 포식성 박테리아로 분류하지만, 다른 세균에 기생하는 기생성 세균으로 분류하기도 한다.

기생과 포식은 뉘앙스도 다를 뿐 아니라 실제로 다른 의미로 사용되는 경우가 많지만,

남의 영양분을 빼앗아 먹는다는 점에서 큰 틀에서 한 그룹으로 분류할 수 있을 것이다.

단지 주로 몸 밖에서 먹는지 아니면 몸 안에서 먹는지의 차이일 뿐이다.

아무튼 그람 음성균의 천적이니 이 세균을 이용해서 항생제 대용으로 사용한다는 아이디어는 그럴듯해 보인다.

 
물론 이 세균들은 아직 항생제 대신 사용하기에는 불안해서 더 연구가 필요하다.

우리 몸에 들어갔을 때 이 세균들이 새로운 병원균이 되면 안 되기 때문이다.

하지만 슈퍼 내성 박테리아에 대한 우려가 커지면서 앞으로 유망한 연구 분야 가운데 하나가 될 가능성이 있다.

만약 인류가 내성균과의 싸움에서 진다면 지금까지 우리가 쌓아 올린 여러 가지 의학적 성과는 물거품이 될 것이다.

그 여파는 엄청나다.

세균 감염이 엄청난 인명을 앗아가던 시절로의 회귀를 의미하기 때문이다.

그런 만큼 내성균에 영향을 받지 않는 포식성 박테리아는 새로운 돌파구가 될 수 있다.

동시에 다른 세균을 잡아먹는 세균의 존재는 아마도 포식의 기원이 진핵생물의 등장 전보다 더 오래되었을 가능성을 시사한다.

어쩌면 우리가 잘 모를 뿐 최초의 박테리아의 등장 직후 이런 포식성 박테리아가 등장했을지도 모른다.

 
다만 세균을 잡아먹을 수 있는 가장 작은 생명체가 박테리아는 아니다.

바이러스를 생물체로 본다면 바이러스가 가장 작은 포식자다.

바이러스는 그야말로 거두절미하고 다른 세포의 자원을 활용해 자신의 유전자를 무제한으로 증식하는 존재다.

델로비브리오 역시 바이러스처럼 남의 세포에 침투해서 증식하지만, 적어도 완전히 살아있는 생명체이고 어디까지나 다른 세포의 물질을 소화시켜 증식한다.

하지만 바이러스는 단순한 효소와 껍데기를 만드는 유전자를 세포에 침투시킨 후 세포의 효소와 유기물을 이용해서 증식한다.

사실 세포에 침투하기 전 바이러스는 아무 생명 현상 없이 존재하는 무생물에 가깝다.

이런 이유로 일반적으로 바이러스 감염을 포식 행위로 여기지는 않는다.

그래서 더 언급하지는 않지만,

어쩌면 다른 복잡한 행위 없이 다른 생물체의 유기물을 이용해 자신의 유전자를 증식하는 바이러스야 말로 궁극의 포식자일지 모른다.

코멘트입력
   

 

 

제목 없음