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해적처럼 갈고리를 던지고 대포를 쏘는 박테리아



 (The diagram shows the hunting process of Aureispira, from capturing to killing the prey. (Schema: after Yun-Wei Lien, et al. Science, 2024))

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(The structure of grappling hooks from a cellular to molecular scale. (Image: Yun-Wei Lien / ETH Zurich))

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(Top Image: Cryo-electron tomogram (left) and 3D model (right) of the onboard cannon of the hunting bacterium Aureispira. (Images: Yun-Wei Lien / ETH Zurich))

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박테리아는 주변에 모든 것에서 에너지를 얻습니다. 광합성을 통해 스스로 에너지를 얻는 경우는 물론이고 각종 화학 반응을 통해 광합성과 독립적으로 에너지를 얻는가 하면 이미 존재하는 유기물을 섭취하거나 다른 생물체의 유기물을 빼앗기도 합니다. 박테리아는 가장 작은 생물체이기 때문에 역설적으로 더 큰 생물체 안으로 침투해 영양분을 가로챌 수 있습니다.

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박테리아가 영양분을 가로채는 대상은 크기와 종류를 가리지 않습니다. 당연히 같은 박테리아도 그 대상에 들어갑니다. 그런데 바로 여기에서 박테리아는 놀라운 창의성을 발휘합니다. 크기가 자신과 거의 비슷한 상대의 영양분을 가로채기 위해 어뢰처럼 다른 세포안으로 뚫고 들어가는 방법이나 뱀파이어처럼 영양분을 빨아드는 세균도 그중 하나입니다.

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스위스 취리히 연방공대의 마틴 필호퍼 (Martin Pilhofer, Professor at the Department of Biology) 교수가 이끄는 연구팀은 예상치 못한 방법으로 다른 박테리아를 사냥하는 박테리아를 발견했습니다. 바다에 살고 있는 아우레이스피라 (Aureispira)는 영양분이 충분한 상황에서는 다른 박테리아처럼 주변에서 영양분을 얻습니다. 하지만 이들이 살고 있는 해양 환경은 종종 영양분의 농도가 너무 낮아져 번식과 성장에 어려움을 겪을 수 있습니다.

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이런 상황에 놓이면 아우레이스피라는 숨겨둔 무기를 꺼내들고 사냥감이 될 다른 세포에 다가갑니다. 이들은 마치 해적선처럼 갈고리 (grappling hook)을 발사해 상대 세포의 편모 (flagella)를 묶어서 도망가지 못하게 만듭니다. 편모는 세포가 이동하는 데 필요한 동력 기관이기 때문에 여기가 잡히면 상대는 꼼작할 수 없습니다. 그리고 그 다음 더 놀랍게도 대포 같은 장치를 이용해 상대 세포에 발사체를 날려 세포에 구멍을 뚫습니다. 그리고 여기서 나온 영양분을 섭취하는 것입니다. 물론 공격당한 세포는 대개 죽게 됩니다.

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(The time-lapse sequence shows how the predatory bacterium Aureispira hunts Vibrio cells. The following sequence shows sections through a cryo-electron tomogram and a 3D model illustrating the penetration of the contractile injection system into the prey cell. (Video: Yun-Wei Lien)

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흥미로운 사실은 이 과정에 상당한 에너지가 들어가는지 영양분이 충분할 때는 무기를 아껴둔다는 것입니다. 먹고 살기 힘들어져 해적질을 하는 것이지 사실 먹고 살만 할 때는 그냥 주변에서 평화롭게 영양분을 섭취한다는 사실도 재미있습니다. 아무튼 작은 세포 속에 들어있는 예상치 못한 정교한 공격 시스템이 정말 놀랍습니다.

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참고

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https://newatlas.com/biology/microscopic-pirates-cellular-cannons-grappling-hooks/

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https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2024/10/catching-prey-with-grappling-hooks-and-cannons.html

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Lien YW, Amendola D, Lee KS, Bartlau N, Xu J, Furusawa G, Polz MF, Stocker R, Weiss GL, Pilhofer M. Mechanism of bacterial predation via ixotrophy. Science, Oct 17th 2024. DOI: external page10.1126/science.adp0614

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