고대 '아스가르드' 미생물, 지구에 산소가 풍부해지기 훨씬 전부터 산소 활용했을 가능성: 복잡한 생명의 기원에 대한 새로운 단서 제공

미국 - 이크바리 뉴스 통신사

진화 역사를 다시 쓰는 혁명적 발견: 고대 '아스가르드' 미생물이 초기에 산소를 활용했을 가능성

지구 생명의 기원에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꿀 수 있는 과학적 발견에서, 최근 연구는 식물과 동물의 가장 가까운 알려진 미생물 친척인 '아스가르드 고세균'(Asgard archaea)으로 과학적으로 명명된 고대 미생물 그룹이, 이 가스가 지구 대기에서 널리 퍼지기 수백만 년 전에 산소를 활용하고 거기서 에너지를 얻는 능력을 개발했을 수 있음을 시사합니다. '네이처'(Nature) 지에 발표된 이 발견은 생물학의 가장 심오한 미스터리 중 하나에 대한 새로운 관점을 제공합니다. 즉, 오늘날 우리가 아는 모든 복잡한 생명체, 거대한 나무에서부터 인간에 이르기까지, 그들의 전구체인 최초의 복잡한 세포는 어떻게 출현했는가 하는 것입니다.

오랫동안 과학자들은 이 고대 미생물이 산소가 없는 환경을 선호한다고 가정해 왔습니다. 그러나 해양 진흙과 해수 샘플에 대한 새로운 포괄적인 유전체 조사는 놀라운 사실을 밝혀냈습니다. 이 유기체들은 산소를 처리하고 잠재적으로 에너지를 전환할 수 있는 '분자 기계'를 가지고 있다는 것입니다. 이 발견은 이전의 가설에 도전하며, 결국 최초의 복잡한 세포(진핵생물) 형성을 이끈 단순한 미생물과 박테리아 사이의 중요한 공생 사건에 대한 타당한 설명을 제시합니다.

복잡한 세포 내 에너지 발전소인 미토콘드리아는 생존을 위해 산소를 필요로 하는 박테리아에서 유래했습니다. 전통적으로, '고세균'(생명의 세 가지 주요 영역 중 하나)이 진화 이야기에서 이 박테리아의 숙주 역할을 했으며, 많은 수가 혐기성(산소 없음) 조건에서 생존하도록 적응했다고 여겨졌습니다. 그러나 새로운 연구는 잠재적 숙주인 아스가르드 고세균이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 산소에 내성이 있었을 수 있다고 제안합니다.

이 연구의 공동 저자인 텍사스 대학교 오스틴의 해양 과학 부교수 브렛 베이커 박사는 보도자료에서 이렇게 말했습니다. "오늘날 살아있는 대부분의 아스가르드 고세균은 산소가 부족한 환경에서 발견되었습니다. 하지만 진핵생물과 가장 가까운 계통이 산소가 풍부한 지역, 예를 들어 얕은 해안 퇴적물과 수중의 부유 플랑크톤에 서식하며, 산소를 활용하는 수많은 대사 경로를 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이는 우리의 공통 진핵 조상도 이러한 과정을 가지고 있었을 가능성이 높다는 것을 강력하게 시사합니다."

북유럽 신화의 신들의 거처 이름을 딴 아스가르드 고세균은 2015년 연구자들이 로키스 캐슬(Loki's Castle) 열수구 근처의 심해 퇴적물 샘플에서 게놈을 재구성했을 때 처음 발견되었습니다. 이 연구는 로키아키오타(Lokiarchaeota), 토르아키오타(Thorarchaeota), 오딘아키오타(Odinarchaeota)와 같은 고세균 그룹을 포함하는 아스가르드 초분류군(Asgard superphylum)을 설립하는 계기가 되었습니다. 후속 연구들은 이 고세균들이 여러 개의 '진핵생물 특징' 유전자를 가지고 있음을 시사하며, 이는 핵과 막으로 둘러싸인 소기관을 가진 세포로 특징지어지는 진핵생물과의 긴밀한 조상적 연결을 나타냅니다.

아스가르드 고세균이 어떻게 산소에 내성을 가질 수 있었는지 연구하기 위해, 연구팀은 활발한 미생물 군집을 지원하는 것으로 알려진 환경인 보하이만(Bohai Sea)과 과야마스 분지(Guaymas Basin)에 조사를 집중했습니다. 그들은 해양 퇴적물에서 추출한 약 15 테라바이트의 환경 DNA를 꼼꼼하게 분석하여 13,000개 이상의 미생물 게놈을 성공적으로 재구성하고 아스가르드 고유의 수백 개의 유전체 서열을 분리했습니다.

이 연구의 공동 저자이자 파리 파스퇴르 연구소의 박사후 연구원인 캐서린 애플러 박사는 다음과 같이 논평했습니다. "이러한 아스가르드 고세균은 종종 낮은 커버리지 서열 분석에서 간과됩니다. 그러나 대규모 서열 분석 노력과 다양한 서열 및 구조 방법론의 통합 덕분에 우리는 이 유전체 확장 이전에 보이지 않던 패턴을 식별할 수 있었습니다."

이러한 식별된 패턴 중에는 호기성 호흡과 관련된 유전자들이 포함되었습니다. 이는 많은 유기체가 영양분에서 추가 에너지를 효율적으로 추출하기 위해 사용하는 산소 의존적 과정입니다. 또한, 팀은 단백질 구조를 예측하기 위해 AlphaFold2라는 인공지능 도구를 사용하여 이러한 고대 미생물 내 산소 내성 분자 기계의 존재에 대한 증거를 강화했습니다.

특히, 헤임달아키아(Heimdallarchaeia)(북유럽 신들의 파수꾼의 이름을 딴)로 알려진 아스가르드 고세균의 특정 계통이 특히 중요하게 부각되었습니다. 연구원들은 많은 헤임달아키아 게놈이 산소를 사용하여 전자를 전달하고 에너지를 생성하는 데 책임이 있는 분자 시스템의 구성 요소와 독성 산소 부산물을 관리하는 데 도움이 되는 효소를 포함하고 있다고 보고했습니다. 만약 이러한 산소 처리 능력이 복잡한 세포의 고세균 조상에게 실제로 존재했다면, 이는 결정적인 공생 합병의 서사를 상당히 단순화할 것입니다.

베이커 박사는 "산소가 환경에 나타났고, 아스가르드 고세균은 이에 적응했습니다. 그들은 산소 활용에서 에너지적 이점을 발견했고, 이것이 결국 진핵생물로 진화하는 길을 열었습니다."라고 결론지었습니다. 이러한 발견은 복잡한 생명의 기원을 밝힐 뿐만 아니라, 미생물 진화와 변화하는 환경 조건에 대한 그들의 놀라운 적응력을 이해하는 데 새로운 길을 열어줄 수도 있습니다.

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