바이오인

일반 환경의 고균: Nitrifying Archaea

이성근(충북대학교 미생물학과)

일반환경 고균의 발견
지구상의 모든 생물은, 1990년 Carl Woese가 rRNA의 염기서열을 이용한 계통학적(phylogeny) 분석을 통하여, 3 개의 영역(Domain: 세균, 고균, 진핵생물)에 속하는 것으로 제안되었다 [1]. 그중 두 개의 영역인 세균(Bacteria)과 고균(Archaea)은 원핵(prokaryote)의 단세포 생물에 속한다. 서로 다른 영역에 속하는 고균과 세균은 형태학적으로는 매우 유사하지만, 진화, 유전, 생리학적인 특성에서 매우 다름을 알 수 있다. 진핵생물에 속하는 인간과 아메바와의 차이보다 훨씬 더 큰 차이가 난다고 할 수 있다.

고균은 오랫동안, 극한생물(extremophile)의 전형으로 알려져 있으며, 매우 높은 염 농도(e.g., 염전), 120 °C이상의 고온 환경(e.g., 해저 열수구), pH 0 에 달하는 산성 환경(산성광산)에서도 생존이 가능한 미생물을 포함하고 있다. Carl Woese의 계통학적 연구 결과를 PCR 기술과 접목하여, (실험실에서의 배양 유무에 상관없이, 지노믹 DNA만 확보할 수 있으면) 지구상의 어떤 생물이라도 검출할 수 있는 기술을 가지게 되었다. 이를 토대로 전 세계의 바다와 주변의 토양 환경에서도 고균이 매우 풍부하게 존재하고 있다는 놀라운 발견을 하게 되었다 [2, 3]. 이로써, 더 이상 고균은 제한된 극한 환경에만 서식하는 생물로써, 생물 공학적인 측면에서 유용한 자원을 제공하거나 지구 생물의 진화과정을 밝히는 소재일 뿐만 아니라, 인간을 포함한 다양한 지구상의 생물군과 상호작용을 하는 주변의 일반적인 미생물로 알려지고 있다.

최근 첨단 고속 염기서열 분석기술의 발전으로, 배양이 되지 않은 환경의 미생물로부터 지놈 정보를 얻을 수 있는 기술단계에 이르렀다. 예를 들면, 인간이 장이나 일반 숲 속의 토양에는, 현존하는 기술로는 배양되지 않는 헤아릴 수 없는 만큼 다양한 미생물이 복합적으로 존재(microbiome)하고 있지만, DNA(metagenomic)를 분석하면, (비닝(binning)을 통하여) 미생물 각각의 지놈 정보를 얻을 수 있다 [4]. 이를 통하여 지금까지 미지의 미생물들의 지놈 정보들이 쏟아지고 있다. 얻어진 지놈 정보 분석을 통하여, 배양이 되지 않아 지금까지 알려지지 않았던 많은 고균들의 대사학적 특성들을 추정할 수 있게 되었다.

고균의 진화
기존의 배양된 미생물에 기반하는 계통학에 따르면, 고균은 Euryarchaeota와 Crenarchaeota라는 단 두 개의 문(phylum)이 알려져 있었으나, 최근, 다양한 환경으로부터 직접 확보된 지놈을 이용한 계통유전체학적(phylogenomics) 분석 결과, 매우 다양한 고균 phylum(26 phyla)들이 환경에 존재하고 있음을 제안하고 있다 [5]. 최근의 가장 놀라운 발견은, 심해에서 확보된 Lokiarchaeota phylum에 속하는 고균의 지놈 분석결과, 다른 고균과는 다르며, 오히려 진핵생물 영역과 단일계통(monophyletic)의 진화학적 그룹에 속한다는 것을 알게 되었다. 또한, 진핵생물 영역에만 존재하는 많은 정보전달 및 막(membrane) 기능 관련 유전자들을 공통으로 가지고 있는 것으로 밝혀졌다(그림 1). 이러한 새로운 소재의 발견으로 Carl Woese 가 제안한 Three Domain Theory가 도전을 받고 있으며, Eocyte 가설이 힘을 받게 된 계기가 되고 있다 [6]. 진핵생물과 유사한 고균의 지놈과 배양체의 발견이 이어질 것이며, 진핵생물의 탄생에 고균이 어떻게 관여하였는지에 대한 흥미로운 연구결과가 기대된다.

그림 1. 지놈 정보를 이용한 고균의 계통학 분석. Lokiarchaeota, 진핵생물과 높은 진화학적 연관관계. Thaumarchaeota, AOA 포함.

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