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육십에서 큰 다른 몰라요. 표정을 새롭게 물렸다질소 고정이 가능한 세포소기관을 가진 조류 브라루도스파엘라 비겔로위. 사이언스 제공


주간학술지 '사이언스'는 매년 끝에서 두 번째 호에(올해는 12월 13일자) 올해의 최고 과학 성과와 후보들을 소개한다. 모두 10개라 예전에는 '사이언스 10대 과학 성과'라고 부르기도 했다. 그런데 올해 최고로 뽑힌 성과가 HIV(에이즈 바이러스) 예방 백신 개발이라 흥미가 덜했다. 아무래도 우리나라에서는 에이즈가 흔하지 않다 보니 그런 것 같다.
오히려 후보들 가운데 흥미로운 성과들이 여럿 보였는데 특히 니트로플라스트(nitroplast. 아직 정식 번역어가 없는 것 같아 여기서는 일단 질소체로 번역해 쓴다)라는 새로운 세포소기관 발견이 눈에 인천신용회복 띄었다.
식물플랑크톤인 규조류의 한 종(학명 Braarudosphaera bigelowii)의 세포 내부에 존재하는 질소체는 질소(N2)를 고정해 대사 과정에 쓸 수 있는 형태인 암모니아로 바꾸는 역할을 한다. 지금까지 질소 고정은 일부 박테리아와 고세균 같은 원핵생물만이 지닌 능력으로 진핵생물은 몇몇이 이들과의 공생(예를 들어 콩과식물 서울보증보험 과 뿌리혹박테리아)을 통해 간접적으로 얻을 뿐이라고 알려져 있었다.
그런데 단세포 진핵생물인 규조류의 한 종이 공생하는 원핵생물을 통해서가 아니라 스스로 질소를 고정한다는 사실이 밝혀진 것이다. 소위 '생물학 교과서를 다시 써야 하는 발견'인 셈이다.
여기에 더해 또 다른 사실이 드러나면서 질소체의 생물학적 의미가 더 솔로몬저축은행현대스위스저축은행 커졌다. 미토콘드리아(세포호흡)나 엽록체(광합성)처럼 질소체 역시 기원을 거슬러 올라가면 포획된 박테리아가 소화되지 않고 세포 내에 남아 공생하다 진화를 거쳐 세포소기관이 됐다는 것이다.
● 세포내공생체에서 세포소기관으로
수십억 년 생명의 역사에서 이처럼 세포내공생체가 세포소기관으로 진화한 사건은 이번 질소체가 네 번째 w저축은행 발견일 정도로 드문 일이다. 이전에는 미토콘드리아와 엽록체, 색소포가 알려져 있었다.
미토콘드리아는 약 20억 년 전 진핵생물의 공통 조상에 세포호흡 박테리아가 들어와 진화한 세포소기관으로 모든 진핵생물이 지니고 있다(진화과정에서 퇴화해 상실한 예외는 있다). 약 15억 년 전 식물의 먼 조상인 단세포 진핵생물에 광합성을 하는 시아노박테리 치킨창업 아가 자리 잡아 진화한 엽록체는 녹조류와 식물이 지니고 있다(역시 진화과정에서 퇴화해 상실한 예외는 있다).
아메바(단세포 진핵생물)인 폴리넬라(Paulinella)의 광합성을 하는 세포소기관인 색소포(chromatophore)는 약간 혼동을 주는데(동물에서 색소를 함유하는 세포를 뜻하기도 한다) 아마도 기존 광합성 세포소기관인 엽록체와 기원이 다르다는 걸 강조하기 위해 별도의 이름을 붙인 것 같다. 색소포는 약 1억 2000만 년 전 시아노박테리아(엽록체의 조상과는 다른 계열)가 들어왔고 지금 세포내공생체에서 세포소기관으로 막 넘어간 상태로 보인다.



10여 년 전 광합성을 하는 수생 아메바인 폴리넬라(위 가운데)에서 3번째 세포내공생체 유래 세포소기관인 색소포(chromatophore)가 보고됐다. 과거 종속영양생물이었던 폴리넬라는 광합성을 하는 시아노박테리아를 먹이로 삼았는데(위 왼쪽) 어떤 계기로 이들이 세포내공생체가 됐고 지금은 세포소기관으로 바뀌는 과정으로 미래에는 엽록체처럼 좀 더 확실한 세포소기관으로 바뀔 것으로 보인다(위 오른쪽). 지난 2021년 발표된 한 논문에서는 이 과정을 섀시와 엔진에 빗대 설명했다(아래). New Phytologist 제공


참고로 세포내공생체가 세포소기관으로 바뀌려면 숙주 안에 사는 별도의 생명체에서 숙주에 종속된 기관이 되려면 까다로운 조건을 충족시켜야 한다. 먼저 세포소기관은 증식과 분열이 세포의 통제를 받아 이뤄진다. 세포의 핵과 다른 세포소기관과 조율이 돼야 후손에서도 비슷한 구성이 유지되기 때문이다. 
다음으로 세포 핵 게놈의 산물(단백질)이 세포소기관으로 들어와 존재하고 중요한 역할을 해야 한다. 세포내공생체가 게놈의 상당 부분을 잃고 숙주 세포에게 의존하게 되면서 결국은 독자적인 생물체로서 자격을 잃게 된다. 끝으로 (숙주였던) 세포의 게놈에 세포내공생체 유전자의 일부가 존재해야 한다. 
실제 미토콘드리아와 엽록체는 유전자가 거의 사라지거나 옮겨가 게놈이 쪼그라들었다. 색소포의 게놈 크기는 약 100만 염기로 분류상 가까운 시아노박테리아의 300만 염기의 3분의 1 수준이고 유전자 수도 그만큼 줄었지만 미토콘드리아나 엽록체에 비하면 여전히 훨씬 크고 많다. 이제 막 세포소기관의 자격을 얻는 상태로 앞으로 수천만, 수억 년 뒤에는 지금의 엽록체 수준이 될 것으로 보인다.
● 광합성과 세포호흡 능력은 잃어
올해 과학 성과 후보로 오른 질소체는 세포내공생체에서 세포소기관이 진화한 네 번째 사례이자 기능 면에서는 새로운 사례이다. 세포호흡(1가지)과 광합성(2가지)에 이어 질소 고정을 하는 세포소기관이 추가된 것이다.



질소 고정 진핵생물로 처음 확인된 규조류 브라아루도스파에라(B. bigelowii)는 세포 안에 질소 고정 시아노박테리아 유래 세포소기관인 질소체(nitroplast)를 지닌 것으로 밝혀졌다. 그 결과 브라아루도스파에라는 빛과 이산화탄소, 질소가 있으면 세포 성장과 분열을 할 수 있다. 세포소기관인 엽록체(chloroplast)가 광합성을 질소체가 질소 고정을 하고 미토콘드리아가 에너지분자(ATP)를 만들기 때문이다. 사이언스 제공


질소체의 게놈을 분석한 결과 약 1억 년 전 질소 고정을 하는 시아노박테리아(앞의 둘과 또 다른 계열)가 들어와 세포내공생체로 있다가 진화해(퇴화해) 막 세포소기관으로 넘어온 상태로 드러났다.
이 과정에서 게놈 크기가 약 500만 염기에서(분류상 가까운 종의 크기와 비슷하다고 했을 때) 144만 염기로 줄어들었고 그 결과 광합성과 세포호흡 관련 유전자가 여럿 소실돼 이런 능력을 잃어버렸다.
질소체 게놈 복제 및 증식, 분열 등의 과정에도 세포의 핵 게놈 유전자에서 만들어진 단백질이 이동해와 작용한다. 다만 핵 게놈에서 아직 질소체의 조상인 박테리아의 게놈이 발견되지는 않아 세포소기관 초기 상태로 보인다.
지난 4월 학술지 '사이언스'에 질소체 논문이 나가고 두 달 지난 6월 학술지 '네이처'에는 규조류(앞과는 다른 계열)의 세포내공생체 상태인 질소 고정 박테리아를 보고한 논문이 실렸다. 앞 세포소기관의 조상이 질소 고정 시아노박테리아인 것과는 달리 이 녀석은 근류균(rhizobia)으로 육지에서 콩과식물과 공생 관계에 있는 뿌리혹박테리아와 같은 계열이다. 



해양 규조류인 고래무늬쪽배돌말속(Haslea)의 한 종 세포 안에는 질소 고정 박테리아(근류균)이 공생하고 있고 이들이 해양 질소 고정의 상당 부분을 맡고 있다는 사실이 드러났다. 공생을 시작하고 1억 년이 지나는 동안 박테리아 게놈이 꽤 작아졌지만 여전히 자체 세포호흡을 통해 에너지분자(ATP)를 만드는 능력을 유지하고 있어 세포소기관으로 보더라도 질소체보다는 초기 상태다. 네이쳐 제공


지금까지 해양에서 질소 고정은 대부분 질소 고정 시아노박테리아가 맡은 것으로 여겼으나 정밀 분석 결과 전체 고정량의 절반 정도만 차지하는 걸로 드러나면서 나머지 절반을 담당하는 생명체를 찾는 과정에서 이번 근류균-규조류 공생 시스템이 발견된 것이다. 앞서 질소체-규조류와 마찬가지로 내생 근류균은 질소 고정으로 만든 암모니아를 규조류는 광합성으로 이산화탄소를 고정해 만든 유기물을 서로 물물교환한다. 
이들의 공생도 약 1억 년 전 일어난 것으로 보이고 그사이 게놈도 작아졌고 숙주 세포의 단백질과 대사산물에 많이 의존하지만 질소체와는 달리 내생 근류균은 여전히 세포호흡을 통해 자체로 에너지분자인 ATP를 만드는 능력이 있다.
추가 연구를 통해 세포소기관으로 보더라도 앞서 질소체보다 더 초기 상태인 셈이다. 두 번째 광합성 세포소기관이 첫 번째와 기원이 달라 색소포라는 이름을 얻었듯이 이 내생 근류균도 세포소기관 자격을 얻으면 질소체와 기원이 달라 다른 이름을 얻지 않을까.
어쩌면 지구에는 아직 우리가 모르는 다양한 세포내공생체 유래 세포소기관이 있지 않을까 하는 생각이 문득 든다.
※ 필자소개 강석기 과학칼럼니스트 (kangsukki@gmail.com). LG생활건강연구소에서 연구원으로 근무했으며 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 직접 쓴 책으로 《강석기의 과학카페》(1~7권),《생명과학의 기원을 찾아서》가 있다. 번역서로는 《반물질》, 《가슴이야기》, 《프루프: 술의 과학》을 썼다.  
[강석기 과학 칼럼니스트 kangsukki@gmail.com]