원핵생물이란 3(진화,역할,인간에게 주는 영향)

저번 글에서는 원핵생물의 유전자 재조합, 접합, 영양방식, 대사협력 등에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 원핵생물의 진화 및 인간에게 미치는 영향에 대해 알아보겠습니다.

1. 원핵생물의 진화

1970년대에 미생물학자들은 rRNA 서열을 바탕으로 생물종의 진화적 유연관계를 파악했고, 원핵생물의 상당수가 진핵생물에 더 가깝다는 것을 알아냈습니다. 이러한 생물들은 고세균으로 새로 분리했습니다. 또한 남세균과 같은 전통적인 분류군들은 실제로 단계통군이라는 것도 알게 되었습니다. 원핵생물의 계통분류를 통해 원핵생물이 굉장한 유전적 다양성을 가지고 있다는 것이 나타났습니다. 공통조상에서부터 진핵생물과 원핵생물인 고세균과 세균 영역으로 나뉩니다. 세균 영역은 크게 세 가지로 나뉘며, 각각에는 프로테오세균, 클라미디아와 스피로헤타, 남세균과 그람양성세균이 있습니다. 고세균 영역은 크게는 두 가지로 나뉘며, 유리고세균과 TACK이라는 그룹(토마고세균, 아이가고세균, 크렌고세균, 코르고세균)이 있습니다. 원핵생물의 진화에 있어 중요한 역할을 담당한 것은 바로 수평적 유전자 전달입니다. 원핵생물 유전체의 상당 부분은 다른 종에서 수입해 온 유전자가 모자이크된 형태입니다. 물론 수평적 유전자 전달은 계통수 내에서의 관계를 알기 어렵게 하지만, 확실한 것은 원핵생물이 세균과 고세균 영역 두 개로 나뉘었다는 점입니다.

-세균과 고세균

세균은 결핵 등을 일으키는 병원균에서부터 치즈 만드는 데 도움을 주는 세균까지 사람들에게 익숙한 원핵생물의 대부분입니다. 고세균(archea)은 세균과 진핵생물과 둘 다 비슷한 점이 있습니다. 그러나 고유한 특성도 있다는 점에서 오랜 시간 동안 다른 계통과 분리되어 진화했다는 것을 알 수 있습니다. 고세균 영역의 원핵생물들은 주로 극한 환경에서 사는 종류를 말하며, 호극성 생물(extremophile)이라고 부릅니다. 호극성 생물에는 극호열균과 극호염균 등이 있습니다. 먼저 극호열균(extreme halophile)은 염분이 높은 환경에 있습니다. 이 중 일부는 바닷물 농도의 몇 배의 고농도 염분에서만 살 수 있는 경우도 있습니다. 극호열균(extreme thermophile)은 굉장히 온도가 높은 환경에 삽니다. 예를 들면 화산 온천 등에서 말이죠. 일반적인 생물과 달리 극호열균은 고온에도 DNA와 단백질이 안정적으로 유지됩니다. 다른 고세균의 종류로는 메탄 생성균(methanogen)이 있습니다. 이것은 이산화 탄소를 통해 수소를 산화하면서 메탄 가스를 배출합니다. 메탄 생성균은 절대 혐기성 세균에 속하며, 주로 산소가 거의 없는 늪지 등에 있습니다. 극호염균의 다수와 메탄생성균은 앞에서 언급된 유리고세균문(Euryarchaeota)에 속합니다. 호열성 고세균의 대부분은 크렌고세균문(Crenarchaeota)에 속합니다.

2. 원핵생물의 역할

-화학적 순환

 원핵생물은 생태계의 화학물질의 순환 과정에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들면 화학종속영양 원핵생물은 분해자(decomposer)로 작용해 사체와 노폐물을 분해합니다. 따라서 탄소, 질소 등의 물질이 계속 공급될 수 있습니다. 만약 분해자가 작용하지 않는다면 모든 생명활동이 중단될 수 있습니다. 원핵생물은 무기화합물을 다른 생물체가 흡수할 수 있는 형태로 만들기도 합니다. 독립영양 원핵생물은 이산화 탄소를 통해 유기화합물을 만들고 다른 생물에게 공급됩니다. 식물 생장에 필요한 영양물질의 가용성을 높여주기도 합니다. 때로는 식물 영양물질의 가용성을 낮출 수도 있습니다.

-생태계의 상호작용

 원핵생물은 주로 더 큰 생물과 함께 사는 공생(symbiosis) 관계를 형성합니다. 공생관계에서 더 큰 생물은 숙주(host), 작은 것은 공생체(symbiont)라고 합니다. 공생은 상리공생과 편리공생으로 나뉩니다. 상리공생(mutualism)은 숙주와 공생체 모두 이득을 얻는 것이고, 편리공생(commenalism)은 한쪽만 이득을 취하고 다른 쪽은 이득이나 손해를 둘 다 보지 않습니다. 사람의 신체 표면의 150여 종의 세균종 중 일부는 편리공생체입니다. 사람은 이 세균들에게 먹이(피지)와 서식처를 제공해 주지만 세균은 딱히 사람에게 끼치는 영향이 없습니다. 공생 관계 말고도 기생(parasitism) 관계가 있습니다. 기생체(parasite)는 숙주에서 영양물질을 섭취하지만 숙주는 피해를 입습니다. 다만 기생체는 숙주를 바로 사멸시키지는 않습니다. 질병을 일으키는 기생체를 병원체(pathogen)라고 부릅니다.

3. 원핵생물이 인간에게 미치는 영향

-상리공생 세균

 사람의 경우 장에 500~1000종의 세균이 있고, 대부분이 사람이 소화하지 못하는 음식을 분해하는 상리공생체입니다. 예를 들어 Bacteroides thetaiotaomicron의 유전체는 탄수화물, 비타민, 영양물질을 합성하는 유전자들이 있습니다. 그리고 이 세균의 신호에 따라 음식 흡수에 필요한 장의 혈관 형성을 촉진하는 사람의 유전자도 활성화됩니다. 또 다른 신호는 항미생물 제제를 합성해 다른 경쟁 세균을 제거할 수 있도록 합니다.

-병원성 세균

 그러나 상리공생 세균뿐만 아니라 병원성 세균도 당연히 존재하겠죠. 인간의 질병의 거의 절반은 세균에 의한 병입니다. 병원성 원핵생물은 독소를 통해 병을 일으키며, 이것은 외독소와 내독소로 나뉩니다. 외독소(exotoxin)는 특정 세균이 분비하는 단백질입니다. 예를 들어 보툴리누스균(Clostridium botulinum)의 보툴리누스 독소는 식중독을 유발합니다. 내독소(endotoxin)는 그람음성세균의 외막의 지질다당체 성분입니다. 내독소는 세균이 죽고 세포벽이 분해될 때만 방출됩니다. 여기에 살모넬라속이 속합니다. 물론 기술 발전에 따라 항생제를 사용하면서 질병 발생률은 감소했으나 내성이 있는 균주로 진화 가능하기에 주의해야 합니다. 원핵생물은 번식 속도도 빠르며, 수평적 유전자 전달에 의해 치명적인 병원체로 바꿀 수 있기 때문입니다.

-연구와 기술에 활용되는 세균

 원핵생물은 인간의 연구와 기술에도 활용됩니다. 세균은 우유를 치즈, 요거트로 만들 수 있으며, 김치, 간장도 만들 수 있습니다. 그리고 최근에는 생명공학에서 원핵생물을 많이 이용합니다. 유전자 복제를 위해 대장균을 사용하거나, PCR 기술에서 Pyrococcus furiosus의 DNA 중합효소를 이용하는 것이 이에 해당합니다. 원핵생물에 있는 크리스퍼 캐스(CRISPR-Cas) 시스템은 원핵생물의 방어기전이지만, 이것을 활용해 생명체의 유전자를 바꿀 수 있습니다. Cas 단백질은 크리스퍼 영역의 guide RNA와 작용해 원하는 DNA 서열을 절단할 수 있습니다. 세균을 이용하면 석유 사용도 줄일 수 있습니다. 현재 원유에서 만들어지는 플라스틱이 환경 문제를 일으키지만 세균은 천연 플라스틱을 만들 수 있습니다. 원핵생물은 기름 사고 처리나 생물복원(bioremediation)에도 활용됩니다. 하수처리장에서 유기물질을 원핵생물이 분해하면 멸균 작용 후 매립 또는 비료로 쓰일 수 있습니다. 이렇게 이번 글에서는 원핵생물의 진화 및 역할 등에 대해 알아보았습니다. 다음 글에서는 진핵생물에 대해서 공부하겠습니다.