1억 5천만 년 동안 변하지 않은 빅테리아 발견 돼

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-04-13 10:17:15
  • -
  • +
  • 인쇄
(3분 50초)
- 암석 수킬로 미터 깊이에 서식하는 박테리아 CDA, 판게아 시대 이후 게놈 개발 정지 상태
- 대륙간 수천 킬로미터 떨어진 곳에서도 동일한 DNA 구성
- 장기간 세포 분열에도 불구하고 안정적인 DNA
- 이 발견은 진화의 속도와 생명의 나무에 대한 우리의 가정에 매우 주의해야 한다는 것 의미

살아있는 화석, 일반적 이론과 모순
박테리아는 1억 5천만 년 동안 게놈을 바꾸지 않았다.

진화적 정지 :

일반적으로 빠르게 변이하는 모든 박테리아 중에서 연구자들은 1억 5천만 년 동안 변하지 않은 종인 살아있는 화석을 발견했다. 암석 깊이 수 킬로미터에 서식하는 박테리아 CDA( Candidatus Desulforudis audaxviator)는 판게아의 주요 대륙 시대 이후로 더 이상 게놈을 개발하지 못했다. 이러한 안정성은 미생물 진화에 대한 모든 일반적인 가정과 모순된다. 

▲ 죽음의 계곡에서 시추. 여기 깊은 지하에 사는 한 종의 박테리아는 남아프리카와 시베리아에서 발견되는 두 개의 깊은 생물권 개체군과 유전적으로 거의 동일하다. 이것이 연구원들을 당혹스럽게 하고 있다.

© Duane Moser / Desert Research Institute.


박테리아는 지구상에서 가장 적응력이 좋은 유기체 중 하나다.
높은 돌연변이율과 짧은 생성 시간 덕분에 단 몇 달 만에 새로운 변종을 개발할 수 있다.
예를 들어 새로운 먹을 것을 개발하거나 항생제에 대한 내성을 개발할 수 있다. 또한, 대부분의 박테리아는 유전자를 수평으로 전달하는 능력을 지니고 있다. 그들은 유전자와 유전자 조각을 그들의 환경에서 다른 유형의 미생물과 교환 할 수 있다.

3개 대륙의 갑각류

Maine의 Bigelow Laboratory for Ocean Sciences의 Eric Becraft와 함께 일하는 연구원들이 최근 발견한 것처럼 다른 방법이 있다. 연구를 위해 그들은 2008년 남아프리카 금광의 암석 구멍에서 2.8km 깊이에서 발견된 박테리아 종의 유전적 발달을 조사했다.
새롭게 부여 받은 이름은 Candidatus Desulforudis audaxviator(CDA)인 이 미생물은 방사능 붕괴를 통해 암석에서 방출되는 수소, 황산염 및 기타 화학 물질에서 에너지와 영양분을 얻는다.

흥미로운 점은 이 박테리아가 이 금광에서만 발견되는 것이 아니라 다른 대륙의 깊은 생물권에서도 발견됐다는 것이다. 북미에서는 이 미생물이 데스 밸리(Death Valley) 아래 지하수에 살고 있다.
시베리아에서도 백악기 암석의 공극수(pore water, 空隙水토양 또는 암석 사이에 스며들어 있는 물) 깊은 시추공에서 이 박테리아가 발견됐다. 이것은 이 박테리아 종의 다른 개체군이 그들의 위치와 그곳의 매우 다른 환경 조건에 적응한 정도에 대한 의문을 갖게 했다.

"이 지하 퇴적물 사이의 지리적 거리가 멀기 때문에 우리는 이러한 CDA 변종의 유전적 구성이 유전적으로 구별되어야 한다고 가정했다"라고 Becraft와 그의 팀은 설명한다.
그들은 최근 3개 대륙 모두에서 온 126개 CDA 샘플의 DNA 염기 서열 분석을 통해 이를 확인했다.

빠르게 변화하는 게놈 부분에서도 동일

놀라운 결과 :
샘플의 게놈이 거의 동일했다.
박테리아는 수천 킬로미터와 바다로 분리되어 살고 서로 통신할 방법이 없지만 DNA 서열은 놀랍도록 유사하다. 뉴클레오타이드 일치율은 99.5% 이상이었다.
Becraft의 동료 Ramunas Stepanauskas는 “정말 충격적이었다”고 말했다.

또한 놀랍다. 특히 빠르게 변하는 것으로 간주되는 유전자 영역에서도 세 가지 박테리아 개체군이 일치했다. 여기에는 이전 바이러스 공격으로 인해 박테리아 DNA에 남아있는 바이러스 유전 물질의 잔류물(소위 번식이라고 함)뿐만 아니라 바이러스를 방어하는 데 사용되는 효소 복합체 CRISPR에 대한 유전자도 포함된다.
연구진은 “CRISPR이 가장 빠르게 발전하는 유전자 영역 중 하나로 간주되는 것은 특히 놀랍다”고 말했다.
▲ A. CDA SAG를 획득한 환경 샘플의 표면 아래 전역 위치, 거리 및 깊이. B. 지리적 거리와 관련된 평균 뉴클레오티드 동일성. C. FST. 쌍별 비교의 사이트 별 색상이 각 데이터 포인트에 대해 표시. 표준 편차 및 표준 오차는 기호보다 작다. 출처: 관련논문 Fig.1 Evolutionary stasis of a deep subsurface microbial lineage

판게아(Pangäa)시대의 살아있는 화석

이것이 어떻게 가능할까?
과학자들에 따르면, 이것은 단 하나의 결론만을 허용한다.
이 박테리아는 수백만 년 동안 진화의 정지 상태에서 살았던 살아있는 화석이다.
스테파나우스카스(Stepanauskas)는 “현재 우리가 가장 잘 설명하는 것은 이 미생물이 1억 7500만 년 전 초대륙 판게아가 파괴되었을 때 서식지가 분리된 이후 거의 변하지 않았다는 것이다.

이것은 CDA(Candidatus Desulforudis audaxviator)가 오늘날 대륙이 갈라진 이후 크게 발전하지 않았음을 의미한다. 현재 깊은 생물권의 암석에 살고 있는 박테리아는 판게아 시대의 조상과 거의 동일할 수 있다. Stepanauskas는 "이것은 완전히 미친 것처럼 들리며 현재의 미생물 진화에 대한 이해와 완전히 모순된다"고 말한다.

장기간 세포 분열에도 불구하고 안정적인 DNA

더 면밀한 분석을 통해 이 박테리아는 단순히 포자 나 다른 휴면 상태에서 생존할 수 없었다. 포자조차도 수백 년 동안만 지속되고 휴면기는 서식지의 고온에서 몇 년 동안만 지속될 수 있기 때문이다.

이 미생물은 비록 매우 느리기는 하지만 이 수백만 년 동안 정상적으로 번식하고 분열했음에 틀림 없다. 베크라프트(Becraft)와 그의 팀은 CDA(Candidatus Desulforudis audaxviator)의 생성 시간을 온도에 따라 1년에서 10년으로 추정한다. 이러한 분할의 무작위 복사 오류만으로도 시간이 지남에 따라 분리 된 집단의 유전적 구성에 상당한 차이가 생겼어야 했지만, 그렇지 않은 것 같다.

일반적인 가정과는 달리

과학자들은 이 박테리아가 우발적 돌연변이에 대해 특히 강력한 보호 기능을 가지고 있다고 의심한다. 연구팀은 "이 극단적인 게놈 보존 뒤에 있는 가장 그럴듯한 메커니즘은 특히 정확한 DNA 복제와 매우 효과적인 복구 메커니즘"이라고 말했다. 이 박테리아는 복제 오류와 DNA 손상에 효과적으로 대응하는 효소를 가지고 있는 것 같다.

"이 발견은 우리가 진화의 속도와 생명의 나무에 대한 우리의 가정에 매우 주의해야 한다는 것을 보여준다"고 Becraft는 강조한다. "어떤 유기체는 스프린트 속도로 진화하는 것처럼 보이지만 다른 유기체는 더 느리게 진화하는 경향이 있다.“
이것은 가계도 연대 측정을 위한 돌연변이율에 기반한 "분자 시계"가 때때로 잘못되었음을 의미 할 수 있다.

(ISME Journal, 2021; doi: 10.1038/s41396-021-00965-3)
출처: Bigelow Laboratory for Ocean Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]

  • 글자크기
  • +
  • -
  • 인쇄
뉴스댓글 >

주요기사

+

많이 본 기사

Basic Science

+

Technology

+

Photos

+