최초의 박테리아 재구성

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-04-07 12:20:36
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- 원시 박테리아는 혐기성, 막대모양 그리고 클로스트리디아와 유사
- 35억 년 전 열수 통푸구에서 발생, 57개의 필수 생체 분자관련 유전자 보유

재구성된 모든 박테리아의 조상
원시 박테리아는 혐기성이고 막대 모양이며 오늘날의 클로스트리디아와 유사했다.

최초의 종류 :
처음으로 연구자들이 모든 박테리아의 조상이 어떻게 보이고 살았는지 재구성했다.
이 막대 모양의 원초 박테리아는 혐기성이었으며 약 35억 년 전에 열수 통풍구에서 발생했다. 이미 57개의 필수 생체 분자를 모두 생산하는 유전자와 중심 대사 경로를 보유하고 있다.
오늘날까지 살고 있는 가장 가까운 친척은 클로스트리듐(Clostridium)속의 박테리아다. 

▲ 모든 박테리아의 조상은 이 클로스트리디아처럼 생겼을 수 있다. © CDC / James Archer, Jennifer Oosthuizen

최초의 세포는 언제 어디서 발생했을까?
지금까지 이 질문에 답은 없었다. 그러나 고대 암석의 미세 화석과 화학적 특징은 최초의 단세포 생명체가 35억 년 전에 존재했을 수 있음을 시사한다. 연구원들은 몇 년 전에 모든 생명체의 이 조상의 효소 중 하나를 재구성했다. 지구상에서 가장 오래된 생명체인 박테리아와 고세균은 최초의 세포에서 발전됐다.

혐기성 세균의 유전 물질 검색

그러나 모든 박테리아의 조상은 어떻게 생겼으며 어디에서 살았으며 어떻게 먹었을까?
뒤셀도르프에 있는 하인리히 하이네 대학의 요안나 사비어(Joana Xavier)와 동료들은 이제 이러한 질문에 대한 답을 찾았다.
그들은 1,089개의 박테리아 그룹의 게놈에서 가능한 한 많이 존재하고 기본적인 대사 기능을 코딩하는 유전자를 검색했다. 이는 이러한 유전자와 단백질 제품이 특히 원시적임을 시사하기 때문이다.

연구자들은 혐기성 박테리아로 검색 범위를 좁혔다.
“지구에 유리 산소가 없을 때 박테리아가 출현했기 때문에 오늘날 박테리아가 산소를 어떻게 사용하는지 볼 필요가 없었다. 진화 역사의 관점에서 이러한 메커니즘은 첫 번째 박테리아 이후에 상당히 발전했다”고 Xavier는 설명한다.
오늘날의 혐기성 미생물과 마찬가지로 조상은 발효, 황산염 환원, 메탄 또는 산 생성과 같은 대체 대사 경로를 통해 에너지를 얻었음에 틀림없다.

조상의 146개 단백질 패밀리

비교 유전자 분석에 따르면 146개 단백질 계열의 유전자는 오늘날 거의 모든 혐기성 박테리아에 여전히 존재한다. 연구팀은 “이 유전자는 거의 보편적이며 원핵생물에서 가장 강력하게 전승되는 유전자 중 하나”라고 보고했다. 이 유전자에 의해 암호화되는 단백질의 약 절반은 유전자 및 단백질 합성 및 기타 구조 기능에 관여하고 나머지 절반은 대사 장치에 속한다.

이 단백질은 이미 거의 완전한 대사 핵심 네트워크를 형성한다.
오늘날 모든 박테리아의 공통 조상은 진화 과정에서 잃어버린 9개의 다른 유전자만으로 모든 중요한 세포 기능을 커버할 수 있었다고 Xavier와 그녀의 팀이 보고했다.
원래의 박테리아는 57개의 필수 생체 분자를 모두 생산할 수 있었다 : 20개의 아미노산, 4개의 DNA 염기, 8개의 범용 보조 인자, 지방 전구체로서의 글리세롤 트리 포스페이트 및 20개의 하전된 전달 RNA.

막대 모양의 심해 생물

이 데이터를 사용해 과학자들은 조상 박테리아의 생활 방식을 재구성하는 데 성공했다.
이 최초의 박테리아 세포는 소위 환원성 아세틸 -CoA 대사 경로를 통해 에너지와 영양분을 얻은 독립 영양 유기체였다. 이를 통해 황산염, 피루베이트 및 환경에 존재하는 기타 원료로부터 설탕과 탄소성 생체 분자를 생산할 수 있었다.

결과는 또한 원시 박테리아가 막대 모양이고 열수 통풍구에서 살았음을 시사한다-아마도 원시 심해에서. 그곳에서 화산 굴뚝에서 나오는 따뜻한 미네랄이 풍부한 물은 이들 초기 세포에 생존에 필요한 환경 조건을 제공했다.

"이 독립적으로 얻은 결과는 또한 열수 통풍구에서 생명의 기원과 초기 발달에 대한 가장 최근의 발견을 확인시켜준다"라고 선임 저자 윌리암 마틴(Wiliam Martin)은 말했다.
▲ 최초의 박테리아는 한때 심해의 열수 통풍구에서 살았을 수 있다. © W.R. Normark, Dudley Foster / USGS

원시 박테리아가 포자를 형성할 수 있을까?

Xavier와 그녀의 팀은 또한 오늘날 조상 박테리아의 가장 가까운 친척에 대한 새로운 통찰력을 가지고 있다. "현대 클로스트리디아는 조상 박테리아의 가장 가까운 친척"이라고 공동 저자 페르난도 트리아(Fernando Tria)는 보고했다.
이 그람 양성 포자 형성 박테리아 그룹에는 병원균과 부패성 박테리아뿐만 아니라 독소를 생성하는 클로스트리듐 보툴리눔(Clostridium botulinum)과 무해한 토양 미생물도 포함된다.

"원시 박테리아가 클로스트리디아와 유사하다면 포자를 형성할 수도 있었다"고 Xavier는 말한다. 이 가설은 최근 다른 연구자들에 의해 제시되었으며 "우리의 결과와 매우 양립 할 수 있다"라고 연구원은 말했다.
포자와 함께 초기 세포는 초기 지구의 열악한 환경에서 더 잘 생존할 수 있었다.
(Communications Biology, 2021; doi : 10.1038 / s42003-021-01918-4)
출처 : Heinrich Heine University Düsseldorf

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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