농사 짓는 아메바 - farmer amoeba Dictyostelium discoideum

 토양에 서식하는 아베마의 한 종류인 Dictyostelium discoideum 은 단세포 동물치곤 약간 복잡한 생활사를 가지고 있습니다. 이 아베마가 시기에 따라서 단세포 (unicelluar growth) 생활을 하다가 이들이 모여 다시 다세포 생활 (multicelluar development) 를 한다는 점 자체는 자연계에서 아주 드문일도 아니고 놀라운 일도 아니라고 할 수 있지만 일종의 사회적 공동체를 이루고 농사도 짓는 (?) 다는 사실은 놀라운 일이라고 할 수 있습니다. 최근의 연구에 의해 밝혀진 바에 의하면 단세포 동물이면 단순하게 살 것이라는 인간의 편견을 완전히 바꾸어 놓는 의외의 생활사가 D. discoideum 에 숨겨져 있습니다.

(D. discoideum  의 자실체 (Fruiting body : 균류의 포자 형성체) 의 모습.  public domain image  http://en.wikipedia.org/wiki/File:Dictyostelium_Fruiting_Bodies.JPG )

(D. discoideum  의 생활사  http://en.wikipedia.org/wiki/File:Dicty_Life_Cycle_H01.svg )


 이 아메바는 일종의 알이라고 할 수 있는 자실체가 성숙되면 여기서 포자 (spore) 가 퍼저셔 주변 환경으로 방출됩니다. 이후 발아 (germination) 한 아메바는 주변의 박테리아 (특히 엽산 folic acid 를 분비하는 박테리아를 좋아함) 를 잡아먹으면서 성장과 분열을 반복합니다. D. discoideum  는 먹이가 풍부한 시기에는 이렇게 점균아메바 (myxamoebae) 상태로 존재하다가 먹이가 다 떨어지고 굶주리면 뭉쳐서 다세포 시기로 넘어가게 됩니다.


 이들은 육안으로도 보이는 덩어리를 형성하게 되는데 이를 이동체 (slug) 라 부릅니다. 이들 점균류(粘菌類, Mycetozoa), 혹은 변형균류(變形菌類, Myxomycetes) 들은 우리 주변에서 흔하게 볼 수 있으며 생활 환경에 따라 단세포/다세포 형태를 변형하며 생활사를 영위하게 됩니다. 덕분에 분류학적으로 그 분류가 까다로운 종류이기도 합니다. 아무튼 여기까지는 서론이었고 본론은 이제부터 입니다.


 2011 년 데브라 브룩 (Debra A. Brock) 등이 네이처에 보고한 바에 의하면 이 작은 아메바들이 사실은 세상에서 가장 작은 농부들이라고 합니다. (1) 브룩은 처음 이 작은 아메바가 자신보다 더 작은 박테리아를 체내에 지니고 있는 것을 보았을 때 (포식한 것이 아니었음) 호기심을 가지고 고생끝에 두개의 균주를 분리하는데 성공했습니다. 이들은 모두 Pseudomonas fluorescens 로 유전적으로 동일한 종의 박테리아 였습니다.


 하버드 대학의 존 클라디 (Jon Clardy of the Harvard Medical School in Boston) 등 다른 연구자들의 도움을 얻어 이 아베마와 박테리아의 놀라운 공생 관계를 연구했는데 이들 아베마들이 박테리아를 서식처에 뿌린 후 다시 수확한다는 사실이 밝혀진 것도 이때였습니다. 즉 농사 짓는 단세포 생물을 발견한 것이었습니다.

(농사짓는  D. discoideum 의 생활사. 클릭하면 원본
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Life-cycle_of_farmer_dictyostelium_discoideum.jpg )


 이들은 다음해 농사를 위해 파종할 씨를 먹지 않는 농부들처럼 농사지을 밑천인 박테리아를 자실체안에 가지고 있습니다. 이들이 발아하면 박테리아를 토양에 뿌려 증식시킨후 먹이로 삼게 되는데 중요한 것은 포식한 박테리아를 다 포식하지 않게 만드는 메카니즘입니다. 포식한 박테리아 중 일부는 phagosome 과 lysosome 이 달라 붙는 것을 - 달라 붙으면 소화됨 - 방해하는 메카니즘으로 보호 받습니다. 이후 이들이 다시 자실체를 만들 시기가 되면 다시 위의 사이클이 반복됩니다.


 과학자들이 밝힌 바에 의하면 놀랍게도 모든 D. discoideum  이 농사를 짓지 않습니다. 농사를 짓기 위해서는 많은 비용을 지불할 수 밖에 없기 때문인데 사실 먹이가 풍부한 환경에서 농사를 짓는 건 바보 짓이라고 할 수 있죠. 필요에 따라 농사를 짓는 이런 놀라운 적응력은 진화가 만든 생명의 경이라고 할 수 있습니다.


 2011 년 이 결과가 발표된 이후 많은 연구자들이 이에 대한 연구를 진행중에 있는데 2013 년 PNAS 에 발표한 바에 의하면 이들 아메바들이 오랜 세월에 걸쳐 사실 먹을 수 없는 균들을 먹을 수 있게 진화시켜온 것으로 보인다고 합니다. 이와 같은 사실은 농사에 사용된 균들과 야생 균들의 유전자를 비교하므로써 밝혀졌습니다.  (2)


 이 연구의 공저자인 퀄러 (David C. Queller) 는 '계통도는 포식할 수 있는 능력이 파생된 특성임을 보여준다. 이 균들은 본래 먹을 수 없던 것이었다. 그러나 먹을 수 있게 변했다. 이는 진화에서 기묘한 일이다. (먹히지 않기 위해서가 아니라) 먹히기 위해 진화했기 때문이다 ... The tree also tells us that edibility is a derived trait. These guys used to be inedible and became edible. That's just a weird thing to evolve: to be able to eaten '


 이런 비슷한 경우는 인간이 야생 품종을 길들여 먹기 편리한 작물이나 가축으로 길들인 것에 비견할 만 합니다. 인위적인 선택압을 주는 경우 본래라면 잘 진화시키지 않을 인간에게 유용한 특성을 가진 품종들을 진화시킬 수 있습니다. 이런 비슷한 사례를 아베마가 해냈다는 것은 역시 자연의 경이 가운데 하나일 것입니다.  



 참고


 Journal Reference


 1. Brock DA, Douglas TE, Queller DC, Strassmann JE (20 January 2011 2011). "Primitive agriculture in a social amoeba". Nature 469 (7330): 393–396. doi:10.1038/nature09668. PMID 21248849

 2. Pierre Stallforth, Debra A. Brock, Alexandra M. Cantley, Xiangjun Tian, David C. Queller, Joan E. Strassmann, and Jon Clardy. A bacterial symbiont is converted from an inedible producer of beneficial molecules into food by a single mutation in the gacA gene. PNAS, July 29, 2013 DOI: 10.1073/pnas.1308199110


http://en.wikipedia.org/wiki/Dictyostelium_discoideum

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130729161759.htm