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심해의 청소부‘사르202’세균, 실험실 배양 성공

- 1990년대 존재 예측된 버뮤다의 미스터리 세균, 실체 규명

□ 1990년대 버뮤다 해역에서 메타게놈* 분석을 통해 존재가 밝혀졌지만, 실체 규명이 요원했던 미스터리 미생물인 사르202 세균을 국내 연구진이 배양에 성공하여 해양 미생물 연구의 발판을 마련하였다.

* 메타게놈(metagenome): 생물을 배양하지 않고 환경에서 직접 추출한 핵산에 존재하는 모든 유전체를 일컫는다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 조장천 교수(인하대학교) 연구팀이 심해 미생물 군집의 최대 30%를 차지하는 사르202 세균의 실험실배양과 게놈 해독에 성공했다고 밝혔다.

□ 해수 1 ml에는 약 백만 개의 미생물이 서식하며 탄소와 에너지의 순환을 매개함으로써 지구 기후를 조절한다. 1990년대부터 메타게놈 분석을 통해 해양 미생물의 다양성이 밝혀졌으나, 대다수 미생물은 실험실에서 배양이 되지 않아 실체 파악에 한계가 있었다.

□ 연구팀은 서해 바닷물을 채취해 미생물을 키울 수 있는 배지를 만들고, 미생물 세포를 주입한 후 한 달 동안 빛을 주지 않고 배양하였다.

○ 그 결과 서해 시료에서 24개의 사르202 균주를 획득하고, 유전체 분석을 통해 전체 게놈 서열을 확보하였다.

□ 연구팀은 사르202 세균이 실험실에서 약 3일에 한 번 분열하여 매우 느리게 자라고, 빛에 노출되면 생장을 멈추고 죽는 것을 확인하였다.

○ 또한 사르202 세균은 일반적인 세균의 운동기구인 편모대신 고균(고세균, Archaea)의 특징인 아케엘라 운동기구 유전자를 가지고 있어, 고균으로부터 많은 유전자를 획득했을 것으로 추정하였다.

□ 더불어 사르202 세균은 게놈에 다양한 유기물 분해 유전자를 가지고 있으며, 실제로 푸코스, 람노스, 푸코네이트 등 다양한 유기물을 이용하여 실험실에서 생장하였다.

○ 이로부터 사르202 세균은 게놈에 존재하는 여러 종류의 물질분해 유전자를 활용하여 심해 유기물을 청소하는 역할을 수행하리라 예상된다.

□ 연구팀은 배양된 사르202 세균을‘빛을 싫어하는 해양세균’이라는 뜻의 ‘루시푸기모나스 마리나’로 명명하였다. 또한 사르202 세균은 생물분류체계에서 새로운 목에 해당하여 ‘루시푸기모나달레스’라는 목이 새롭게 탄생하였다.

□ 조장천 교수는“전 세계 미생물학자들이 오랜 시간 실체를 확인하고자 했던 사르202 세균을 국내 바다에서 배양하여 해양 미생물 연구의 돌파구를 마련하였다”라며, “후속연구를 통해 사르202 세균에 존재하는 수많은 유기물 분해 유전자의 기능을 확인할 계획이다”라고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 8월 22일 게재되었다.

주요내용 설명

1. 연구의 필요성

○ 해수 1 ml에는 약 백만 개의 미생물이 서식하며 탄소와 에너지의 순환을 통해 지구의 기후를 조절한다. 1990년대부터 메타게놈* 분석을 통해 해양 미생물의 막대한 다양성이 밝혀졌으나, 대다수 미생물은 실험실에서 배양이 되지 않아 실체 파악이 힘들다.

* 메타게놈 (metagenome): 환경에 존재하는 모든 생물체의 게놈. 생물을 배양하지 않고 환경에서 직접 추출한 핵산에 존재하는 모든 유전체를 일컫는다.

○ 심해 미생물 군집의 최대 30%를 차지하는 사르202* 세균은 1993년 스티브 지오바노니 박사에 의해 버뮤다 해역의 메타게놈 분석을 통해 처음 예측되었다. 하지만 지난 30년간 이 세균을 실험실에서 배양한 과학자는 아무도 없어 후속 연구가 지체되었다.

* 사르202(SAR202): 사르가소 해(Sargasso Sea)의 메타게놈 분석을 통해 존재가 예측된 세균 중 202번째 클론으로서 심해에서 전체 미생물의 최대 30%까지 차지하는 세균그룹.

○ 학자들은 사르202 세균이 다양한 유기물 분해 유전자를 가져 다른 세균이 분해하지 못해 심해로 운송된 유기화학물질을 이용할 것으로 예측했다. 특히 최근에는 이 세균이 약 20억년 전에 유기물을 부분 산화할 수 있는 유전자의 획득을 통해 지구의 산소대폭발과정(Great Oxydation Event)을 매개하였을 것이라는 가설이 제안되었다.

○ 사르202 세균은 미생물학자들이 가장 배양하고 싶은 세균 중 하나인데, 해양에서 이 세균이 우점하며 서식하는 이유를 밝히기 위해 가장 필요한 것은 바로 실험실에서 배양하며 관찰하는 것이다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 2017년 서해 가로림만에서 바닷물을 채취하여 배지로 만들고 몇 개의 세포를 주입한 후에 한 달 동안 빛을 주지 않고 배양했다. 통상적으로 세균을 배양할 때 쓰는 배지 대신 바닷물을 사용하고, 세균의 집락을 확인하는 대신 바닷물 배지에서 자란 세균수를 측정한 것이 적중했다. 이 서해 시료에서 세계 최초로 24개의 사르202 균주를 획득하였으며 더 나아가 전체 게놈(유전체) 서열을 확보하여 다음과 같은 새로운 사실이 확인되었다.

○ 사르202 세균은 약 3일에 한번 분열하는(참고로 대장균은 20분에 한번 분열) 매우 느리게 자라는 세균이며 빛에 노출되면 생장을 멈추고 죽는 것으로 확인되었는데, 이는 이 사르202 세균이 오랫동안 배양이 되지 않았던 이유를 설명한다.

○ 사르202 세균은 대다수 세균이 갖는 펩티도글리칸(peptidoglycan) 세포벽 대신 고세균이 갖는 S층의 세포벽을 보유하며, 세균이 갖는 운동기구인 편모 대신 고균(고세균, Archaea)이 갖는 아케엘라(archaella) 합성 유전자를 가진 것으로 최초로 드러나 약 20억 년 전에 고균으로부터 많은 유전자를 획득했을 것으로 새롭게 추정되었다.

○ 유전체 분석 결과, 이 세균은 80개의 에놀레이즈 슈퍼패밀리(enolase superfamily) 유전자 등 다양한 유기물 분해 효소집단을 가지고 있어서 푸코스(fucose), 람노스(rhamnose), 람노네이트(rhamnonate) 등 다양한 유기화학물질을 이용할 것으로 예측되었다. 실제로 이 유기물을 배지에 첨가했더니 35일 동안 자란 최대 세균수가 약 100배 이상 증가하는 현상이 확인되었다. 이 연구결과는 사르202 세균이 다양한 물질분해 유전자를 활용하여 심해로 운송되는 다양한 유기물질을 분해한다는 가설을 검증해 준다.

○ 이 세균은 지금까지 알려진 세균과는 전혀 다른 특징을 지녀서, 빛을 싫어하는 해양세균이라는 라틴어 어원에 기초하여 ‘루시푸기모나스 마리나’ 종으로 제안되었다. 특히 독특한 특징으로 인해 신속, 신과, 신목으로 분류되었고, 추후 학자들의 합의에 따라 새로운 강(綱, class)으로 분류될 가능성이 높은 초목(超目,superorder)으로 제시되어 세균 분류학적으로도 중요한 발견이라 할 수 있다.

3. 연구성과/기대효과

○ 전 세계 미생물학자들이 30여년 동안 배양하고자 노력했지만 실패했던 사르202 세균을 서해에서 최초로 배양하여 유전자 분석만으로는 확인할 수 없었던 다양한 세포생리학적 특성을 규명한 것이 가장 큰 연구 성과이다.

○ 이번 연구는 환경에 존재하지만 아직 배양에 성공하지 못한 다양한 세균을 발견한 성공사례의 하나이다. 특히 유전자 분석에 기초하여 세균생장을 촉진하는 인자를 발굴한 이 연구는 사르202 세균 이외에도 다양한 미생물을 배양하는 원천연구로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

○ 이 연구는 프리프린트 서버인 바이오아카이브(bioRxiv)에 지난 3월 최초 게재되었으며, 연구의 중요성을 인정받아 주요 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)의 편집자로부터 투고 요청을 받아 투고되었으며 동료평가를 거쳐 8월 22일에 게재되었다고 조장천 교수는 밝혔다.

그림 설명

(그림1) 사르202 세균의 생장곡선과 주사전자현미경 사진

(왼쪽) 사르202 세균을 어둠 조건에서 21일 동안 배양 후 강도가 다른 빛에 노출하면 빛의 세기에 비례하여 생장이 저해되는 현상이 관찰되었다. 약 3일에 한번 분열하는 매우 느린 생장속도를 보이며, 완전한 생장에는 50일 이상이 필요하다.

(오른쪽) 주사전자현미경 관찰 결과, 사르202 세균은 1 마이크로미터 미만의 아주 작은 크기이며 구형, 혹은 가운데가 파인 도넛 형태를 갖는다.

출처 : 인하대학교 생명과학과 조장천 교수 제공

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?