원핵생물이란 2 (유전자재조합,접합,영양방식,대사협력)

저번 글에서는 원핵생물의 구조와 운동성 및 증식 방법에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 유전자 재조합과 원핵생물의 대사 과정, 진화에 대해 공부해 보도록 하겠습니다.

-유전자 재조합

유전자 재조합(genetic recombination)은 돌연변이 발생과 더불어 유전적 다양성 증가에 기여합니다. 원핵생물에서는 진핵생물과 달리 감수분열이나 수정이 일어나지 않습니다. 그 대신 원핵생물은 형질전환, 형질도입, 접합을 통해 서로 다른 두 개체의 DNA가 합쳐질 수 있습니다. 이때 다른 개체가 다른 종이라면 수평적 유전자 전달(horizontal gene transfer)입니다. 형질전환(transformation)은 외부 환경에서부터 다른 개체의 DNA를 받아들여 유전자형, 어떨 때는 표현형까지 바뀌는 것을 의미합니다. 바뀐 세포는 재조합형이라고 하며, 재조합형 세균의 염색체는 서로 다른 2개의 세포에서 유래한 DNA가 있습니다. 외래 DNA도 세포 내로 들어오면 유전체 내로 삽입 가능합니다. 형질도입(transduction)은 박테리오파지가 한 숙주세포에서 다른 숙주세포로 가면서 세균의 유전자도 옮기는 것입니다. 숙주 염색체의 일부를 가진 파지 입자는 다른 세균에 감염하여 이전 숙주세포의 유전자를 전달합니다. 그럼 그 전달된 DNA는 재조합 세포를 형성합니다. 

접합과 플라스미드

접합(conjugation)은 서로 인접한 세균세포 2개 사이에서 유전물질이 직접 전달되는 것입니다. 한 세포가 DNA를 공여하면 다른 세포는 이 DNA를 수용하는, 한 방향으로만 진행됩니다. 공여세포는 성선모(sex pilus)를 이용해서 수용세포를 잡고 접합통로가 일시적으로 형성됩니다. 이 접합통로를 통해 DNA가 전달됩니다. 공여세포에서 성선모 형성과 DNA 공여 능력은 F 인자(fertility factor)라는 특수 DNA 조각에 있습니다. F 인자는 F 플라스미드의 형태로 존재하기도 합니다. F 플라스미드를 가진 세포를 F+라고 하며, 접합 시 DNA를 주는 역할을 합니다. 만약 F 인자가 염색체 내에 삽입된 세포는 Hfr(high frequency of recombination)이라고 합니다. Hfr 세포도 접합을 통해 DNA를 줄 수 있습니다. 한편 병원성 세균에 염색체 유전자에 돌연변이가 일어나 특정 항생제에 내성을 나타낼 수도 있습니다. 항생제 분자가 작용하는 표적 단백질을 변형해 효과를 낮추기도 합니다. 이 내성 유전자는 주로 R 플라스미드(R은 resistance)에 있습니다. R 플라스미드는 F 플라스미드처럼 성선모 유전자가 있어 접합을 통해 다른 세포로 전달될 수 있습니다.

-원핵생물의 영양방식 및 대사협력

 원핵생물에서는 진핵생물에서와 동일한 영양 방식이 나타나는가 하면 고유 방식도 존재합니다. 빛에서 에너지를 얻는 생물은 광영양생물(phototroph)이라고 하며, 화학물질에서 에너지를 얻으면 화학영양생물(chemotroph)이라고 합니다. 이산화 탄소를 탄소원으로 사용하면 독립영양생물(autotroph)입니다. 종속영양생물(heterotroph)은 유기화합물을 만들기 위해서는 1가지 이상의 유기물이 필요합니다. 원핵생물의 대사과정과 산소의 관계도 다양합니다. 절대 호기성 생물(obligate aerobe)은 세포호흡에 산소를 필수적으로 사용합니다. 절대 혐기성 생물(obligate anaerobe)은 산소가 독성을 띱니다. 혐기적(무기) 호흡(anaerobic respiration)은 질산이온 또는 황산이온을 전자전달계의 최종 전자 수용체로 이용합니다. 조건부 혐기성 생물(facultative anaerobe)은 산소의 유무와 관계없이 살 수 있습니다. 산소가 있으면 사용하고, 없으면 발효나 혐기적 호흡을 합니다. 한편 질소는 모든 생물에서 아미노산이나 핵산 합성에 꼭 필요합니다. 원핵생물은 다양한 형태의 질소화합물을 만들 수 있습니다. 일부 원핵생물은 대기 중의 질소를 암모니아로 전환하는 질소 고정(nitrogen fixation)을 할 수 있습니다. 원핵생물의 질소 고정은 식물이 쓸 수 있는 질소의 함량을 높여줍니다.

대사 협력

 원핵생물은 협력을 통해 개별 세포는 사용하지 못하는 환경의 자원을 활용 가능합니다. 예를 들면 남세균의 일종인 아나베나는 광합성 유전자와 질소고정 유전자가 둘 다 있지만 한 세포에서 이 두 과정이 모두 일어나지는 않습니다. 광합성에서 만들어지는 산소가 질소고정 효소를 비활성화하기 때문입니다. 아나베나는 주로 사상형 군체를 이룹니다. 그 대부분의 세포는 광합성만 하지만, 이형세포(heterocyte)가 몇 개 있어 질소고정을 합니다. 이형세포는 세포벽이 두꺼워 산소가 이것을 투과하지 못합니다. 또 다른 대사 협력은 생물막(biofilm)에서 나타납니다. 세포는 주변의 세포를 끌어들여 하나의 colony가 자랍니다. 이때 다른 세포 등에 부착할 수 있게 다당류나 단백질을 분비합니다. 이후 다당류와 단백질은 협막, 점액층을 형성합니다. 생물막은 물질이동 통로도 있어 영양물질이 내부에 전달되고 노폐물은 배출될 수 있습니다. 이렇게 이번 글에서는 원핵생물에서의 유전자 재조합, 형질전환, 형질도입, 접합, 영양방식 및 대사협력에 대해 알아보았습니다. 다음 글에서는 원핵생물의 진화와 인간에게 미치는 영향 등에 대해 알아보겠습니다.