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- 거대 박테리아는 최대 2cm 길이, 맨눈 으로도 관측 가능
- Thiomargarita magnifica의 게놈도 비정상적으로 커, 1만1788개 단백질 코딩 유전자 포함
- 현재의 박테리아 세포 개념에 대한 새로운 관점 제기
- 우리가 알아차리지 못한 훨씬 더 크고 복잡한 박테리아가 있을 가능성 커

세계에서 가장 큰 박테리아 발견
사상성 거대 박테리아는 최대 2cm 길이로 육안으로 볼 수 있다.

미생물 기록:
과들루프의 맹그로브 진흙에서 생물학자들이 처음으로 육안으로 볼 수 있는 박테리아를 발견했다. Thiomargarita magnifica의 희끄무레한 세포 필라멘트의 길이는 최대 2센티미터로 원핵생물에서는 불가능한 것으로 간주되는 치수다. 미생물의 DNA는 또한 다른 어떤 세포보다 많은 유전자 사본을 포함하고 있으며 많은 작은 막 주머니에 포장되어 있다. 

이것은 팀이 Science에 보고한 바와 같이 원핵생물에게는 극히 이례적인 일이다. 

▲ 이 흰색 실의 길이는 최대 2센티미터이지만 각각은 단 하나의 박테리아 세포로 구성돼 있다. © Tomas Tyml

대부분의 박테리아는 크기가 수 미크론에 불과하고 육안으로 볼 수 없다. 단순한 구조로 인해 세포 크기가 제한되기 때문이다. 원핵생물인 박테리아는 세포 핵, 능동 수송 메커니즘 또는 세포 구획이 없기 때문에 수동 확산을 통해서만 영양분과 세포 특이적 분자를 흡수하고 분배할 수 있다. 이것은 최대 크기를 제한한다. 적어도 지금까지는 이것이 생각했던 것이다.

그러나 최근 몇 년 동안 과학자들은 이 가정된 상한선에 매우 근접한 일부 박테리아를 발견했다. 이전 기록 보유자는 1997년 나미비아에서 발견된 세포 길이가 750마이크로미터인 유황 박테리아인 Thiomargarita namibiensis이다. 알려진 가장 큰 민물 박테리아인 Achromatium oxaliferum은 독일 호수에서도 발견된다.

맹그로브 진흙의 흰 실

그러나 캘리포니아 로렌스 버클리 국립 연구소의 Jean-Marie Volland와 그의 동료들이 발견한 것처럼 훨씬 더 클 수도 있다. 과들루프의 맹그로브 진흙에서 황 산화 유기체를 찾는 동안 그녀의 팀 중 한 명은 퇴적물의 낙엽에 붙어 있는 것으로 보이는 희끄무레한 실을 발견했다. 연구진은 “이 필라멘트는 줄기와 같은 모양을 하고 있으며 위쪽으로 갈수록 가늘어지며 일종의 새싹이 보일 수 있다”고 보고했다.

흰 실의 길이는 평균 9.7mm였지만 일부 필라멘트의 길이는 20mm에 달하기도 했다. 그들은 이미 육안으로 볼 수 있었다. 그것이 무엇인지 알아내기 위해 과학자들은 일부 샘플을 수집한 다음 전자 현미경, 형광 현미경과 X선 단층 촬영을 사용해 실험실에서 샘플을 조사했다.

▲ 이 맹그로브 숲의 바닥에서 새로운 거대 박테리아가 발견되었다. © Pierre Yves Pascal/로렌스 버클리 국립 연구소

2센티미터의 큰 세균 세포

놀라운 결과:
예상과 달리 실은 다세포 구조가 아니었다. 대신, 각 필라멘트는 단 하나의 박테리아 세포로 구성됐다. "이것은 대부분의 박테리아보다 5천 배 더 크다"라고 Volland는 말했다. "비교하자면, 이 크기는 사람에 비하면 에베레스트 산만큼 크다." 따라서 Thiomargarita magnifica로 알려진 미생물은 세계에서 가장 큰 박테리아다.

이 거대한 박테리아의 세포 크기와 세포질 부피는 이전에 원핵세포의 상한선으로 생각되었던 것보다 훨씬 높다. 공동 저자인 과들루프 앤틸리스 대학의 올리비에 그로(Olivier Gros)는 "이 발견은 박테리아의 형태에 대한 새로운 질문을 제기한다"고 말했다. 이 박테리아는 어떻게 그리고 왜 그렇게 커졌을까? 이를 알아내기 위해 Volland와 그의 동료들은 DNA 분석 및 기타 실험실 테스트를 수행했다.

기록적인 사본 수를 가진 거대한 게놈

분석 결과 Thiomargarita magnifica의 게놈도 비정상적으로 큰 것으로 나타났다. 여기에는 1만1788개의 단백질 코딩 유전자가 포함되어 있으며 이는 평균 박테리아 세포의 3배에 해당한다고 팀은 말했다. 황 산화 및 탄소 고정 유전자가 특히 풍부하여 식단을 나타냅니다. 세포 분열 및 세포 신장을 위한 유전자의 비정형적 세트는 세포의 거대한 성장과 밀접하게 연관되어 있다.

또한, 이 거대 미생물의 세포에는 매우 많은 수의 게놈 사본이 포함돼 있다. 2센티미터 길이의 실에 73만 개 이상의 DNA 사본이 있을 수 있다. "Thiomargarita magnifica는 따라서 세포에서 발견된 가장 많은 수의 게놈 사본을 가지고 있다"라고 연구자들은 보고했다. "복사본의 수는 다른 거대 박테리아의 수보다 훨씬 많다.“

▲ Thiomargarita magnifica의 세포 필라멘트의 클로즈업 보기. © Tomas Tyml/로렌스 버클리 국립 연구소

막 주머니에 포장된 DNA

그러나 훨씬 더 특이한 것은 게놈이 거대 박테리아에서 제시되는 방식이다. 일반적으로 원핵생물의 DNA는 세포질에 노출되어 있으며 DNA에 대한 핵이나 다른 구획이 없다. 이것은 Thiomargarita magnifica와는 다르다. Volland는 "많은 게놈 사본이 막이 있는 구조로 포장되어 있다는 사실이 가장 놀라웠다"라고 말했다. "박테리아로서는 예상치 못한 일이다.”

작은 막 소포는 각각 DNA 조각과 일부 리보솜을 포함하며 박테리아 세포의 세포질에 많은 수로 분포돼 있다. "DNA와 리보솜의 이러한 구획화는 세포핵과 진핵생물의 구획을 연상시킨다"라고 Voland와 그녀의 동료들은 기술했다. 그들은 새로 발견된 박테리아 소기관을 "페핀(pepins)"이라고 불렀다. 이는 키위와 다른 과일의 작은 씨앗에 대한 프랑스어 단어다.

사상 박테리아 세포의 중앙에 있는 큰 액포도 인상적이다. 이 액체로 채워진 공동은 세포 부피의 거의 75%를 차지한다. 따라서 피핀이 있는 세포질은 세포막 근처의 좁은 영역으로 압축된다.

크기 제한을 넘어서

Volland와 그의 동료들에 따르면, 이러한 모든 특징은 Thiomargarita magnifica가 어떻게 그렇게 거대해질 수 있었는지 설명할 수 있다. 게놈의 많은 사본, 세포 전체에 분포된 DNA 패킷 및 좁고 말초 세포질 때문에 세포의 확산 경로가 단축된다. 이것은 박테리아가 크기 제한을 초과하도록 허용했을 수 있다. 어쨌든, Thiomargarita magnifica는 현재의 박테리아 세포 개념에 대한 도전을 제기한다고 팀은 말했다.

연구원들은 "생물학, 에너지 대사, 피핀의 형성, 역할 및 특성을 더 자세히 연구하면 생물학적 복잡성이 어떻게 진화했는지 이해하는 데 도움이 될 수 있다"라고 설명했다. 그들은 이 기록적인 박테리아가 단독 사례가 아니라고 의심한다. "Thiomargarita magnifica의 발견은 우리가 알아차리지 못한 훨씬 더 크고 복잡한 박테리아가 있을 수 있음을 나타낸다.“
(Science, 2022; doi: 10.1126/science.abb3634)
출처: DOE/로렌스 버클리 국립 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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