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역대 가장 짧은 길이의 유전자를 지닌 공생 박테리아



 (The distribution of the ancient symbionts Sulcia and Vidania across planthopper phylogeny, and the organization of symbionts within host tissues. Credit: Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-69238-x)

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가장 작은 박테리아도 사실 상당히 복잡한 자연의 화학 공장이나 다를 바 없습니다. 생명 활동을 이어나가기 위해 다양한 단백질과 다른 물질이 필요한 만큼 박테리아 역시 수많은 단백질의 설계도를 DNA에 담아 후손에게 물려줍니다. 세균이 지닌 DNA 염기쌍의 숫자는 인간 같은 다세포 진핵생물보다 매우 작지만 그래도 50만 개에서 1000만 개 정도로 절대 짧지만은 않습니다. 단순한 대장균도 460만 개의 염기쌍의 유전자를 지니고 있습니다.

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그런데 일부 세균들은 극단적으로 유전자 숫자를 줄이기도 합니다. 이런 사례는 다른 숙주 세포에 들어가 사는 경우 흔하게 발생합니다. 기생이든 공생이든 간에 숙주에 많은 것을 의존하다보니 유전자를 다 보존할 필요가 없고 크기를 줄이는 게 오히려 생존에 유리해지기 때문입니다.

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과학자들은 이런 사례 가운데서도 가장 극단적인 사례를 곤충에 사는 세포내 공생 (Endosymbiotic) 박테리아에서 발견했습니다. 폴란드 야기에우워 대학의 안나 미찰리크(Anna Michalik, Jagiellonian University, Kraków, Poland)와 동료들은 매미충 혹은 멸구류 (planthoppers)에 서식하는 세포 내 공생 미생물을 연구했습니다.

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곤충에서는 미생물과의 공생 관계가 흔합니다. 특히 멸구나 매미와 같은 즙액을 빨아먹는 곤충들에게는 이 미생물이 생존에 필수적입니다. 식물의 즙액에는 특정 아미노산이나 비타민이 일반적으로 함유되어 있지 않기 때문에 이를 공급할 수 있는 공생 미생물이 필요한 것입니다.

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그런데 이런 공생 미생물 역시 숙주인 곤충에 많은 것을 의지하면서 점차 유전자를 잃어서 서서히 독립된 세포와 세포 소기관의 경계에 접근한 존재들이 있습니다. 술시아(Sulcia)와 비다니아(Vidania)는 2억 6천만 년 이상 멸구와 공진화해 온 세포 내 공생 미생물로 멸구 복부 내의 특수한 세포에서 서식합니다.

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연구팀은 149종의 멸구에서 채취한 131개의 공생체 게놈(술시아 63개, 비다니아 67개)을 시퀀싱하고 비교한 결과, 술시아와 비다니아의 게놈 크기가 매우 작다는 것을 확인했습니다. 특히 비다니아는 역대 가장 작은 세균 게놈의 기록을 경신했습니다.

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술시아 게놈의 크기는 137,729 bp (base pair, 염기쌍)에서 180,379 bp 사이였고, 비다니아는 50,141 bp에서 136,554 bp 사이에 불과했습니다. 다시 말해 유전자의 염기쌍이 5만 개 수준에 불과한 것으로 사실상 살아 있는 독립된 세포라고 부르기도 민망한 수준입니다. 그런데 흥미롭게도 이런 유전자 소실에서도 수렴 진화의 형태를 확인할 수 있었습니다.

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연구팀은 비다니아속 균주 VFSACSP1(50,141 bp)과 VFMALBOS(52,460 bp)의 초소형 게놈이 독립적으로 진화한 것을 확인했습니다. 이 두 균주는 아미노산 중 페닐알라닌 생합성에 필요한 정보는 보존한 반면, 다른 6가지 아미노산의 생합성 경로는 소실됐습니다. 결국 다른 숙주에서도 같은 결론을 얻은 셈입니다.

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이렇게 유전자 소실이 크게 일어난 이유는 수억 년에 걸쳐 곤충의 세포 내에서 진화하면서 소실된 유전자를 외부에서 공급받을 기회가 사라지면서 멀쩡한 유전자가 점점 줄어들고 숙주에 의존도가 갈수록 높아지면서 많은 기능들이 필요가 없어졌기 때문입니다. 사실 이들은 세균이 세포 소기관으로 진화하는 과정을 보여주는 중요한 생명체라고 할 수 있습니다.

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어쩌면 우리 몸 안에 있는 미토콘드리아와 다른 세포 소기관 역시 이런 과정을 거쳐 우리 몸의 일부가 되었을지 모릅니다.

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참고

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https://phys.org/news/2026-02-symbiotic-bacteria-planthoppers-smallest-organelle.html

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Anna Michalik et al, Convergent extreme reductive evolution in ancient planthopper symbioses, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-69238-x

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