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질소를 고정하는 새로운 세포 소기관이 있다?

 


(The algae Braarudosphaera bigelowii has been found to have absorbed a cyanobacteria called UCYN-A, which may be a huge step forward for evolution. Credit: Tyler Coale)

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(X-ray images of Braarudosphaera bigelowii at different stages of cell division. The newly identified nitroplast is highlighted in cyan, the algae nucleus is blue, mitochondria are green and chloroplasts are purple. Credit: Valentina Loconte/Berkeley Lab)

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생명의 역사에서 두 종류의 생명체가 하나의 생명체로 합쳐진 사례는 두 번 있었습니다. 첫 번째는 대략 22억년 전 발생한 미토콘드리아의 탄생입니다. 이때 산소를 이용해서 에너지를 생산하는 박테리아가 다른 세포 내부로 들어가 세포내 소기관이 되면서 진핵세포가 등장했습니다.

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두 번째는 엽록체의 탄생으로 대략 16억년 전 식물의 조상이 시아노박테리아를 집어 삼킨 후 세포내 소기관으로 통합됐습니다. 아마도 잡아먹을 의도나 혹은 기생하려는 의도에서 세포 안으로 들어왔다가 공생 관계가 되고 나중에는 서로가 없으면 살아갈 수 없는 수준으로 통합되는 과정을 1차 세포내공생 (primary endosymbiosis)라고 부릅니다.

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세포내 공생 : https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5929935&cid=61233&categoryId=61233

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그런데 최근 과학자들은 새로운 세포내 공생의 증거를 발견했습니다. 버클리 연구소의 조나단 제르 (Jonathan Zehr)와 동료들은 조류 (algae)의 일종인 Braarudosphaera bigelowii 속에서 질소를 고정하고 있는 시아노박테리아인 UCYN-A를 발견했습니다.

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세포내 소기관 수준으로 통합되지 않더라도 공생하는 미생물의 숫자는 적지 않습니다. 따라서 단순히 내부에서 발견된다고 해서 세포내 공생을 통한 세포 소기관 생성이라고 보기는 어렵습니다. 하지만 연구팀은 B. bigelowii와 UCYN-A가 이 이상으로 통합되어 있다는 사실을 알아냈습니다.

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UCYN-A의 유전자 분석 결과 이 시아노박테리아는 필요한 단백질의 절반 밖에 만들지 못했습니다. 나머지는 숙주 세포에 의존하고 있는데, 이는 미토콘드리아와 엽록체 같은 세포내 소기관에서 볼 수 있는 특징입니다. 이런 세포내 소기관은 결국 필요한 유전자의 대부분이 사라지거나 핵 안으로 이동하게 됩니다.

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또 UCYN-A는 세포 내 소기관처럼 세포가 커지면 분열을 통해 숫자가 많아지는 특징을 보였는데, 이 역시 세포내 소기관에서 벌 수 있는 특징입니다. (사진 참조)

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연구팀은 UCYN-A의 일차 세포내 공생이 1억 년 간 진화했다고 보고 있습니다. 짧은 기간은 아니지만, 미토콘드리아나 엽록체대비 상당히 최근으로 세포 소기관으로 통합과정을 거치는 중이라고 할 수 있습니다. 연구팀은 여기에 질소고정 세포 소기관이란 뜻의 니트로플라스트 (nitroplast)라는 이름을 붙였습니다.

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사실 세포내 소기관으로 발전하기 위해서는 이 기관이 없으면 살기 힘든 수준의 필요성이 있어야 헙니다. 질소를 구하기 힘든 일부 조류에서는 그런 필요성이 있겠지만, 생물계에서 일반적인 경우는 아닐 것으로 보입니다. 그래도 특수 환경에서 이렇게 일차 세포내 공생을 독자적으로 시도하는 사례들이 더 있을 수 있습니다. 과연 어떤 사례가 숨어 있을지 궁금합니다.

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참고

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https://newatlas.com/biology/life-merger-evolution-symbiosis-organelle/

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https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(24)00182-X.pdf

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https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk1075

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