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- 메탄을 먹는 원생동물에서 이전에 볼 수 없었던 게놈 구조를 발견
- 산소가 부족한 퇴적물에서 Methanoperedens속의 메탄 먹는 고세균을 조사할 때 발견
- 이러한 염색체외 유전 요소 중 일부, 숙주세포 게놈보다 더 많은 DNA 포함할 수 있어
- 고세균은 한때 메탄 처리를 촉진하기 위해 이러한 구조를 흡수했을 수 있다.

유전자 "보그" 발견
원생동물에서 동화된 긴 DNA 가닥은 알려진 생명체와 닮지 않음

동화된 유전자:
연구자들이 메탄을 먹는 원생동물에서 이전에 볼 수 없었던 게놈 구조를 발견했다. "보그"라고 불리는 이 개체는 다양한 유기체에 동화된 것처럼 보이는 긴 DNA 가닥으로 구성돼 있다. 결과적으로 그들은 때때로 숙주 세포의 게놈보다 더 많은 유전자를 포함한다. "보그"는 이전에 알려진 세포 소기관, 바이러스 또는 플라스미드와 유사하지 않다. 그러나 그들의 동화 능력은 그들이 세포 사이를 이동하고 유전자를 전달하는 능력이 있음을 시사한다고 연구팀은 네이처에 보고했다. 

▲ 그러한 둥근 아키온(Archaeon)에서 생물학자들은 새롭고 여전히 신비한 외래 DNA, 즉 다른 유기체에서 유래한 긴 이중 가닥의 유전자를 발견했다. © Jenny Nuss/Berkeley Lab

"우리는 보그이고, 당신은 동화되고 있고, 저항은 무의미하다.":
"스타 트렉" 시리즈에서 보그는 만나는 모든 생명체를 동화시키는 외계 존재다. 그들의 희생자는 보그 집단의 일부가 되며 따라서 하이브 마인드의 일부가 된다. 여기까지는 허구다.

최대 100만 염기쌍의 외래 DNA

그러나 분명히 우리 행성에는 보그만큼 급격하게 동화되는 독립체가 있다. 이것은 버클리 캘리포니아 대학의 Basem Al-Shayeb와 그의 동료들이 산소가 부족한 퇴적물에서 Methanoperedens 속의 메탄을 먹는 고세균을 조사할 때 발견했다. 진핵생물과 달리 단세포 고세균은 세포핵이 없고 대신에 그들의 유전 물질이 고리 모양의 DNA 분자로 세포 혈장에 자유롭게 존재한다.

따라서 조사한 고세균에서 또 다른 게놈 구조가 발견된 것은 더욱 이례적인 일이었다. 연구원들은 DNA 고리 외에도 긴 이중 가닥 DNA 구조도 발견했다. 이 가닥은 최대 100만 염기쌍으로 구성되었으며 유전자와 복제 및 역전된 유전자 섹션을 포함했다.

"이러한 염색체 외 유전 요소 중 일부는 숙주 세포의 게놈보다 더 많은 DNA를 포함할 수 있다"고 Al-Shayeb과 그의 팀이 보고했다. "그들은 특정 박테리아와 고세균에서 더 흔히 발견되는 어떤 원형 플라스미드보다 크다.“

또한, 새로운 선형 DNA 구조는 플라스미드에 대해 일반적인 것보다 훨씬 더 많은 유전자를 포함한다. 연구팀은 "플라스미드, 바이러스 또는 미니염색체로 분류할 수도 없고 완전히 배제할 수도 없다"고 말했다.

▲ 콜로라도의 이스트 강에서 샘플링 - 이 강의 퇴적물에서 보그(Borg)가 있는 최초의 고세균이 발견되었다. © Roy Kaltschmidt/ 버클리 연구소

19가지 다양한 품종 – 최소

추가 조사에서 이러한 DNA 구조의 발견이 단독 사례가 아님이 밝혀졌다. 과학자들은 또한 토양, 강바닥 및 지하수에서 다른 메탄을 먹는 고세균에서 이 새로운 DNA 가닥을 발견했다. 이들은 DNA 염기서열에 따라 19가지 다른 유형으로 나눌 수 있다. 일부는 가닥의 특정 부분을 제외하고는 매우 유사하고, 다른 일부는 DNA의 50% 미만의 공통점을 가지고 있다.

숙주 세포와의 비교는 또한 이러한 사상 구조가 숙주 세포 게놈의 단순한 사본이 아님을 밝혀냈다. DNA의 작은 부분만이 각 숙주 세포의 DNA와 일치했다. 나머지는 다른 유기체의 유전자와 유전자 부분의 다채로운 혼합물과 같았다. "이러한 염색체 외 유전 요소의 개별 부분은 이미 미생물 게놈, 플라스미드 또는 바이러스에서 문서화됐지만 이러한 거대한 구조의 특징 조합은 독특하다"고 연구자들은 말했다.

동화된 유전자

그것은 무엇일까? "이 신비한 유전 요소는 이전에 알려진 것과는 다르다"고 Al-Shayeb과 그의 동료들은 말했다. 이 새로운 구조는 분명히 다양한 생명체의 유전자와 유전 물질 유형을 결합하기 때문에 "스타 트렉"의 동화 친화적 외계인의 이름을 따서 "보그"라고 명명했다. "이 이름은 다른 유기체의 유전자를 동화시키는 경향을 반영한다"고 팀이 말했다.

게놈 보그가 그토록 많은 다른 유전자를 가지고 있는 이유와 그것들이 어디에서 왔는지는 여전히 알려져 있지 않다. "그러나 그들의 기원에 관계없이 보그가 이 고세균과 아주 오랫동안 공존해 왔다는 것은 분명하다"고 생물학자들은 설명했다. 보그의 유전적 혼합은 또한 구조가 유전자를 흡수해 다른 숙주 세포로 전달할 수 있음을 시사한다. Al-Shayeb의 동료 Jillian Banfield는 "때때로 다른 종의 Borg가 같은 숙주 세포에 공존한다는 증거가 있다"고 말했다.

▲ 모든 보그와 마찬가지로 이 보그는 독립적으로 존재할 수 있는 능력이 부족하며 우리는 그것이 숙주 Methanoperedens spp 내에서 복제한다고 추론한다. 세포. 보그 특이적 단백질은 공존하는 Methanoperedens spp.의 게놈에서 확인되지 않은 단백질이다. 보그 암호화 능력은 에너지 대사(메탄 산화와 관련된 MCR 복합체 포함), 외부 전자 수용체로의 전자 수송과 관련된 세포외 전자 전달(MHC 포함), 중심 탄소 대사( 폴리하이드록시부티레이트(PHB)) 및 스트레스 반응/방어(호환성 용질 생성 포함). (출처: 관련논문 그림 3 그림 3: 공존하는 Lilac 보그에 의해 제공되는 것으로 추정되는 Methanoperedens spp.세포 일러스트레이션 (출처: 관련논문 Borgs are giant genetic elements with potential to expand metabolic capacity / nature)

실패한 내부 공생의 유물?

연구원들의 가설에 따르면 보그는 실패한 내생 공생의 유물일 가능성이 있다. 그 과정에서 세포는 다른 미생물을 흡수하고 상생하는 공동체가 형성된다. 극단적인 경우 후배 파트너가 독립성을 잃고 단순한 세포 소기관이 될 정도로 좁아지는데, 진핵 세포의 미토콘드리아와 식물 세포의 엽록체는 이렇게 생겨났다.

Al-Shayeb과 그의 팀에 따르면 보그 사이에서도 비슷한 일이 일어났을 수 있다. 아마도 이 DNA 가닥은 한때 Methanoperedens 고세균이 섭취한 바이러스나 다른 고세균의 유전 물질이었을 것이다. 이것은 또한 보그가 메탄을 처리하기 위해 숙주 세포에 의해 사용되는 많은 유전자를 포함하는 이유를 설명할 수도 있다. 고세균은 한때 메탄 처리를 촉진하기 위해 이러한 구조를 흡수했을 수 있다.

“메탄을 소비할 수 있는 세포를 상상해 보십시오. 이제 메탄을 동시에 처리할 수 있는 유전적 요소를 추가하고 있습니다"고 버클리의 로렌스 버클리 국립 연구소의 공동 저자인 케네스 윌리엄스가 설명했다. "이것은 이 셀에 증가된 용량을 제공한다. 메탄 처리는 마치 빠른 속도로 실행된다.”

답을 찾는 질문이 많다.

그러나 보그의 존재가 실제로 숙주 세포가 메탄을 더 잘 처리하는 데 도움이 되는지 여부는 여전히 불분명하다. 이러한 게놈 구조가 가져오는 다른 장점이나 단점은 무엇이며 다른 메탄을 먹는 고세균에서도 발생할 수 있는지 여부는 당분간 불분명하다.

생물학자들은 실험실에서 메타오페레덴스(Methanoperedens) 속의 숙주 고세균을 배양하는 데 성공하면 이에 대한 더 많은 정보를 얻을 수 있다. 그때 그들은 처음으로 보그의 행동을 관찰할 수 있기 때문이다. 그때까지 이러한 새로운 구조는 미스터리로 남아 있다.
(nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05256-1)
출처: DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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