일반환경 고균의 발견

지구상의 모든 생물은, 1990년 Carl Woese가 rRNA의 염기서열을 이용한 계통학적(phylogeny) 분석을 통하여, 3 개의 영역(Domain: 세균, 고균, 진핵생물)에 속하는 것으로 제안되었다 [1]. 그중 두 개의 영역인 세균(Bacteria)과 고균(Archaea)은 원핵(prokaryote)의 단세포 생물에 속한다. 서로 다른 영역에 속하는 고균과 세균은 형태학적으로는 매우 유사하지만, 진화, 유전, 생리학적인 특성에서 매우 다름을 알 수 있다. 진핵생물에 속하는 인간과 아메바와의 차이보다 훨씬 더 큰 차이가 난다고 할 수 있다.

고균은 오랫동안, 극한생물(extremophile)의 전형으로 알려져 있으며, 매우 높은 염 농도(e.g., 염전), 120 °C이상의 고온 환경(e.g., 해저 열수구), pH 0 에 달하는 산성 환경(산성광산)에서도 생존이 가능한 미생물을 포함하고 있다. Carl Woese의 계통학적 연구 결과를 PCR 기술과 접목하여, (실험실에서의 배양 유무에 상관없이, 지노믹 DNA만 확보할 수 있으면) 지구상의 어떤 생물이라도 검출할 수 있는 기술을 가지게 되었다. 이를 토대로 전 세계의 바다와 주변의 토양 환경에서도 고균이 매우 풍부하게 존재하고 있다는 놀라운 발견을 하게 되었다 [2, 3]. 이로써, 더 이상 고균은 제한된 극한 환경에만 서식하는 생물로써, 생물 공학적인 측면에서 유용한 자원을 제공하거나 지구 생물의 진화과정을 밝히는 소재일 뿐만 아니라, 인간을 포함한 다양한 지구상의 생물군과 상호작용을 하는 주변의 일반적인 미생물로 알려지고 있다.

최근 첨단 고속 염기서열 분석기술의 발전으로, 배양이 되지 않은 환경의 미생물로부터 지놈 정보를 얻을 수 있는 기술단계에 이르렀다. 예를 들면, 인간이 장이나 일반 숲 속의 토양에는, 현존하는 기술로는 배양되지 않는 헤아릴 수 없는 만큼 다양한 미생물이 복합적으로 존재(microbiome)하고 있지만, DNA(metagenomic)를 분석하면, (비닝(binning)을 통하여) 미생물 각각의 지놈 정보를 얻을 수 있다 [4]. 이를 통하여 지금까지 미지의 미생물들의 지놈 정보들이 쏟아지고 있다. 얻어진 지놈 정보 분석을 통하여, 배양이 되지 않아 지금까지 알려지지 않았던 많은 고균들의 대사학적 특성들을 추정할 수 있게 되었다.

고균의 진화

기존의 배양된 미생물에 기반하는 계통학에 따르면, 고균은 Euryarchaeota와 Crenarchaeota라는 단 두 개의 문(phylum)이 알려져 있었으나, 최근, 다양한 환경으로부터 직접 확보된 지놈을 이용한 계통유전체학적(phylogenomics) 분석 결과, 매우 다양한 고균 phylum(26 phyla)들이 환경에 존재하고 있음을 제안하고 있다 [5]. 최근의 가장 놀라운 발견은, 심해에서 확보된 Lokiarchaeota phylum에 속하는 고균의 지놈 분석결과, 다른 고균과는 다르며, 오히려 진핵생물 영역과 단일계통(monophyletic)의 진화학적 그룹에 속한다는 것을 알게 되었다. 또한, 진핵생물 영역에만 존재하는 많은 정보전달 및 막(membrane) 기능 관련 유전자들을 공통으로 가지고 있는 것으로 밝혀졌다(그림 1). 이러한 새로운 소재의 발견으로 Carl Woese 가 제안한 Three Domain Theory가 도전을 받고 있으며, Eocyte 가설이 힘을 받게 된 계기가 되고 있다 [6]. 진핵생물과 유사한 고균의 지놈과 배양체의 발견이 이어질 것이며, 진핵생물의 탄생에 고균이 어떻게 관여하였는지에 대한 흥미로운 연구결과가 기대된다.

일반환경 고균의 배양

우리 주변에 풍부하게 존재하는 일반환경의 고균은 다양한 측면에서 매우 흥미로운 학문적 가치를 가지고 있지만, 고균에 대한 가장 새로운 시각을 제시하게 된 것은 고균이 전 지구적인 생태/물질 순환에 기여할 수 있다는 것이다. 이러한 고균의 생태계에서의 분포에 대한 정보와 비닝을 통하여 얻어진 지놈정보를 이용한 특성 분석에도 불구하고, 심도 있는 연구가 어려운 가장 큰 이유는, 실험실에서 배양이 되지 않는다는 것이다. 예를 들면, 지놈으로만 알려져 왔던 Lokiarchaeota의 경우 10여 년에 걸쳐 배양에 성공한 후 에야 배양을 통하여 특성을 규명할 수 있었다 [7].

혐기성 조건 유지가 어렵기 때문에 절대 혐기성 환경의 고균의 배양은 매우 어려울 것으로 추정되고 있다. 반면, 주변 환경의 호기성 조건에서의 고균도 배양이 매우 까다로운 것은 설명하기 어려운 현상이다. 암모니아를 산화하는 것으로 알려진 Thaumarchaeota(그림 1)에 속하는 고균(ammonia-oxidizing archaea; AOA)은, 호기성의 일반 토양과 해양환경에서 널리 존재하고 있지만, 최근에, 비로소 배양기술이 개발되어 실험실에서 연구되어지고 있다 [8, 9]. 이 미생물은 암모니아(ammonia)를 질산(nitrite)으로 산화(질산화 과정: nitrification)하면서 발생하는 매우 적은 에너지를 이용하며, 특히, CO₂를 고정하여 살아가야 하는 autotroph 미생물이기 때문에, 성장이 매우 느린 특성이 있다. 하지만, 인간과 같은 종속영양생물(heterotroph)은 반드시 부산물인 질소(ammonia, urea, uric acid)를 환경으로 방출하므로, 종속영양생물이 존재하는 거의 모든 생태계에 공존하며 살 수 있는 생물체이다. 만약, 암모니아를 질산으로 전환하는 질산화 미생물이 없다면, 지구 대기 중의 80%를 차지하는 질소는 모두 암모니아 형태로 존재하게 될 것이다. 지구의 표면은 생물이 살기 어려운 강염기성에 암모니아 냄새가 진동할 것이다. 즉, 질산화는 현 지구대기를 존재하게 하고 유지하게 하는 질소 순환의 핵심적인 과정이다. 짧은 기간의 연구를 통하여 밝혀진, 암모니아-산화 고균(ammonia-oxidizing archaea; AOA)의 독특한 특성을 소개함으로써, 앞으로 분자/세포생물학의 흥미로운 연구주제로 고균을 제안하고자 한다.

암모니아-산화 고균

1890년대 Winogradsky가, 암모니아를 산화하고 공기 중의 CO₂를 고정해서 성장하는 암모니아산화세균(Ammonia-oxidizing bacteria; AOB)을 발견 [10] 한 이후, 100년 이상, 지구상의 암모니아를 산화하는 생물체는 세균이 유일한 것으로 알려져 있었으며, AOB에 의한 질산화를 통하여 지구 물질 순환, 환경정화, 등을 이해하고자 하였다. 최근 10여 년의 연구 결과, 오히려 AOB는 제한된 환경에서 주요한 기능을 하며, 대부분의 자연생태계에서는 AOA가 번성하고 있다는 사실을 알게 되었다. 즉, 놀랍게도 지구 전체의 질소순환의 핵심 과정인 질산화(nitrification)를 잘못된 모델 미생물을 이용하여 이해하고자 한 것이다.

암모니아 산화: 암모니아의 산화에 관련된 효소는 ammonia monooxygenase(AMO)로 불리는 막 단백질효소로서, methane monooxygenase 와 매우 유사한 구조로 되어 있다. Methane monooxygenase(PMO)의 구조가 제안되어 있지만, substrate binding site조차 명확하게 밝혀져 있지 않다: 막의 외부 subunit(PmoB)에 active site가 있는 것으로 제안됐으나 [11], 최근 다른 가설도 제안되었으며 활발히 연구되고 있는 분야이다 [12]. AMO의 경우, 생태학적으로나 환경정화 측면에서 매우 중요한 효소이지만, 아직도 구조가 제안되지 않고 있다. AMO에 의한 암모니아의 산화로 hydroxylamine이 생성되며, 이 과정에서는 에너지가 이용되지 않고 오히려 전자가 필요하다(그림 2). 생성된 hydroxylamine이 nitrite로 산화되는 과정에서 발생하는 전자가 일부 AMO의 환원에 이용되고, 나머지는 Complex III, VI의 전자전달계를 거쳐서(complex I, II는 우회) 세포막의 외부로 양성자(proton)을 방출하게 된다. 만들어진 양성자 기울기는 F1F0 ATPase를 거쳐 ATP를 생성하게 한다. 암모니아 산화 과정에서는 Complex I을 직접 환원시킬 수 있는 충분한 redox potential을 가진 전자가 나오지 않기 때문에, 생합성 및 CO₂를 고정하기 위한 NAD(P)H를 직접 만들 수가 없다. 따라서 암모니아의 산화 과정에서 Quinone을 통하여 Complex III에 유입된 전자를 Complex I으로 역행하게 하는 과정(reverse electron transport)이 필요하며, 양성자 기울기를 이용함으로써 가능하다.

암모니아의 이용에 있어 흥미로운 부분은 AMO에 의해 암모니아가 hydroxylamine으로 산화되는 반응은 세포 막의 외부에서 발생하지만, 이 암모니아는 세포 내부에서 방출된 것을 이용한다는 것이다. 실제로, Amt1이라는 high affinity ammonia transporter가 환경이나 배양체 분석결과 매우 높은 발현율을 보이고 있다. Assimilation을 위해 세포 내부로 흡수하는 암모니아의 양은 매우 낮으며, 대부분 암모니아를 농축/방출하여 AMO에 제공하는 데 이용하는 효과가 크다는 것이다. 아마도 외부 환경의 낮은 암모니아를 흡수하고 농축하여 세포막의 AMO에 기질로 제공하는 효과가 있을 것으로 추정하고 있다.

암모니아 산화과정에서, 아직도 hydroxylamine이 nitrite로 산화되면서 4개의 전자가 방출되는 과정을 완전히 이해하지 못하고 있다. AOB의 경우, Hydroxylamine oxidoreductase(HAO)라는 효소가 hydroxylamine을 nitrite 까지 전환하는 것으로 알려졌었다. 하지만 최근 HAO는 hydroxylamine을 산화하여 NO(nitic oxide)를 최종산물로 생성하며 3 개의 전자를 방출한다는 것을 규명하였다 [13]. NO에서 nitrite 로 전환되며, 나머지 한 개의 전자가 방출되는 반응은 알려지지 않은 새로운 효소가 관여할 것으로 제안하였다. AOA의 경우에도, hydroxylamine - NO(?) - nitrite로 전환되는 기본적인 과정은 유사할 것으로 추정하고 있다. 하지만, AOA의 경우에는 AOB와 유사한 유전자가 알려진 것이 거의 없으며, HAO조차도 추정하지 못하고 있다(그림 2).

AOA의 암모니아 산화 과정 및 전자전달계에서 가장 흥미로운 부분은 AOB에서 철(Fe)을 사용하는 대부분 효소를 구리(Cu)를 사용하는 효소로 대체하고 있다는 것이다 [14]. 이러한 특성이 암모니아를 산화하면서 발생하는 HNO(nitroxyl) 혹은 NO 같은 reactive nitrogen species(RNS) 물질들이 철과 강력하게 결합하면서 이들 단백질을 저해하기 때문에 Cu 단백질로 대체하게 되었는지, 원시 Thaumarchaeota 고균 조상(ancestor)이 구리를 산화 환원 시스템의 핵심 금속으로 선택한 결과인지는 알 수 없다. 실제로, AOB와 달리 AOA는 NO를 electron shuttle로 이용하여 암모니아를 산화하는 데 이용하는 것으로 제안하고 있다. 질산화 과정의 진화와 생화학적 관점에서 흥미로운 부분이라 할 수 있다.

Cu 단백질 어셈블리: AOA 뿐만 아니라 거의 모든 세포는 Cu 단백질을 이용한다(e.g., complex IV, super oxide dismutase, etc.,). 흥미로운 점은 고균을 포함한 원핵생물의 경우 대부분의 Cu 단백질은 세포막의 외부에 존재한다. 즉, 세포벽(outer membrane, S-layer, 혹은 peptidoglycan)과 세포막 사이의 공간에서 필요한 기능을 하고 있다. Cu 단백질이 매우 중요한 AOA에 있어, 세포막의 외부에서 Cu 가 어떻게 분비된 단백질의 어셈블리 과정에서 결합되는지는 매우 흥미로운 부분이다. 단백질 분비 메커니즘인 Sec이나 TAT 에 상관없이, Cu의 결합은 세포막의 외부에서 일어나며, 세포막 외부의 copper-binding protein(혹은 metalochaperone)이 이미 만들어져서 세포 외부로 방출되는 apoprotein의 metalation에 관여할 것으로 추정되고 있다. 관련하여 흥미로운 점은, 세포 내에 흡수하여 저장(농축)한 다음에 필요에 의해서 세포외부로 방출하는 Cu를 이용할 것이라는 것이다. 세포질을 거친 암모니아를, 세포막 외부의 AMO active site에서 암모니아가 산화되는 것과 유사한 현상이라 할 수 있다. 또한, metalochaperone이 세포 내부에서 환원되어 방출된 Cu(I)를 그대로 이용할지, 산화시킨 후에 Cu(II)를 사용할지는 아직 명확하지 않다. AOA의 경우, AOB에 비해 Cu에 대한 affinity가 낮기 때문에 [15], Cu를 충분히 저장하여 AMO등 단백질 생합성에 이용하는 것이 매우 중요하다.

AOA의 후성유전학: 진핵생물에서는 복잡한 메커니즘을 통하여 histone 단백질들이 유전자의 발현을 조절하고 있으며, DNA 염기서열의 변화 없이 형질이 바뀌고, 유전되는데 연관되어 있다. 세균 영역에서는 histone 단백질과 상응하는 조절인자가 존재하지 않는 것으로 알려졌지만, 고균의 경우, 유전정보의 전달기구에서 진핵생물과 많은 부분에서 공통점이 있으며, 특히, 원시적인 histone단백질의 형태가 발견되고 있다. Thermoacidophile 고균인 Sulfolobus solfataricus를 모델생물체로 histone 단백질이 관여하는 chromatin의 구조와 기능에 관한 연구결과가 발표되었다 [16]. 최근에는 고균의 histone-like proteins의 post translational modification 이 일어나고 이것이 후성유전학적 조절에 관여함을 제시한 바가 있다 [17]. 고균을 이용한 후성유전학적 연구는 진화적 관점에서의 흥미가 있으며, 나아가, 지구 물질순환이라는 측면에서의 고균 후성유전학 연구의 필요성을 이야기할 수 있다. 현재, 다양한 방법을 통하여 AOA에서도, histone-like proteins의 acetylation에 의한 원시적인 형태의 후성유전학적 조절에 대한 가능성을 제시하고 있다(김경환, personal communication).

고균이 일반환경 적응

고균(AOA)이 세균(AOB)에 비해서 어떻게 일반적인 환경에서 더 높은 경쟁적 우위에 있을 수 있을까? 이 질문은 생태/진화적으로 매우 흥미로운 질문이다. AOA가, 같은 기능을 하는 AOB에 비해, 생태계에 우위를 점하고 있다면, 왜 지구 상의 일반환경에서는 더 많은 다양한 기능을 하는 고균들이 세균에 비해 더 성공적으로 적응하지 못하고 있는 걸까? 라는 질문과 동일하다. AOA는 지구상의 대부분을 차지하는 oligotrophic(빈영양) 환경생태계에서 비교 우위를 점하고 있다. 고균의 세포 구조적인 측면에서 가장 큰 특징 중의 하나는 세포막이 ether lipid로 이루어진 점이다. 특히, Thaumarchaeota에 속하는 AOA는 tetraether lipid로 일반적인 세포막인 double layer가 아닌 monolayer의 막을 유지하고 있어, 환경 스트레스에 대해서 매우 높은 저항성을 가지고 있다. Ester에 기반한 bilayer막에 비해서 더 안정적이고, 내/외부 차단율이 높아서, 막을 경계로 한 물질의 기울기(gradient)의 유지가 쉽기 때문이다. 즉, 막 전위(electrochemical gradient)유지에 더 적은 에너지를 소모한다. 암모니아의 산화로 매우 적은 에너지만을 획득할 수 있으므로, 얻어진 에너지를 효율적으로 유지하는 것은 세포의 maintenance 에너지를 최소화하여 생존하는 데 필수적이다. 두 번째로는 AOA 세포의 암모니아에 대한 기질 친화도(Ks)가 AOB보다 매우 높아, 빈영양 생태계의 암모니아 농도와 유사한 값을 가진다. AOA의 Ks는 AOB에 비해서 상대적으로 2 order 이상 차이가 나기도 한다. 이는 Amt1 단백질의 기질 친화도와 관련이 있을 것으로 추정하고 있다. 세 번째로는 AOA의 CO2 고정(3HP/4HB) cycle이 지구상의 autotroph가 가진 5 번째의 경로로 규명되었다. 이 경로는 AOB가 가진 Calvin-Benson-Bassham(CBB) cycle에 비해서 에너지 효율적인 측면에서 우수하다. 결론적으로, 매우 낮은 농도의 암모니아를 이용하면서도 에너지 스트레스를 극복하고 유지하는데 탁월한 세포구조적 생화학적 메커니즘을 가지고 있다는 것이다. 깨끗한 대양이나 청정한 토양환경은 매우 혹독한 oligotrophic 환경이며, 영양원의 농도 측면에서는 극한환경일 수 있다는 것을 알 수 있다. 더구나, 무기물 산화로 주어지는 낮은 에너지를 획득하는 생물체에게는 더욱더 혹독한 환경으로 여겨질 수 있다. 앞으로 지구 생물의 지속적인 진화를 통하여, 아주 긴 시간 후에는, 더 많은 고균이 일반(빈영양)환경으로 적응하는 과정을 거칠 수도 있을 것이다.

결론

한국은 환태평양 불의 고리(Ring of fire)에 벗어나 있어, 각종 지질학적 재해로부터 비교적 안전하다. 대신에 하와이, 뉴질랜드, 일본, 등 조산대 지역의 나라에 존재하는 다양한 극한(열수)환경 들이 존재하지 않아, extremophile로서의 고균은 접하기 어렵다. 따라서, 지금까지 국내에서 호염성고균을 제외하고는 극한 고균을 연구하는 것은 매우 제한 적이었으며, 고균 전공 과학자가 매우 드물다. 일반환경에 다양한 고균이 존재한다는 것을 알게 되었기 때문에, 미래에는 더 많은 연구자가 고균에 흥미를 가질 것이라 생각된다. 앞으로, 일반환경의 다양한 고균의 배양에 성공한다면, 세균 혹은 진핵생물 영역에서는 볼 수 없는 독특한 분자/세포생물학적 특성 때문에, 생태/산업을 포함한 다양한 연구분야에서 중요한 연구소재가 될 것이다. 지금까지 지구생물의 3개의 영역 중의 하나이면서, 주변에 공존하고 있었지만, 간과되어 왔던, 고균에 대한 생태/세포/분자생물학적인 연구는 지구생물 연구의 잃어버린 중요한 부분을 채우는 연구가 될 것이라 기대한다.

참고문헌

• 1.

  Woese, C. R., et al. (1990). "Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya." Proceedings of the National Academy of Sciences 87(12): 4576-4579.

• 2.

  DeLong, E. F. (1992). "Archaea in coastal marine environments." Proceedings of the National Academy of Sciences 89(12): 5685-5689.

• 3.

  Bintrim, S. B., et al. (1997). "Molecular phylogeny of Archaea from soil." Proceedings of the National Academy of Sciences 94(1): 277-282.

• 4.

  Kim, S.-J., et al. (2019). "Genomic and metatranscriptomic analyses of carbon remineralization in an Antarctic polynya." Microbiome 7(1): 1-15.

• 5.

  Hug, L., et al. (2016). "A new view of the tree of life Nat." Microbiol. 1: 16048.

• 6.

  Guy, L. and T. J. Ettema (2011). "The archaeal ‘TACK’superphylum and the origin of eukaryotes." Trends in microbiology 19(12): 580-587.

• 7.

  Imachi, H., et al. (2020). "Isolation of an archaeon at the prokaryote–eukaryote interface." Nature 577(7791): 519-525.

• 8.

  Kim, J.-G., et al. (2016). "Hydrogen peroxide detoxification is a key mechanism for growth of ammonia-oxidizing archaea." Proceedings of the National Academy of Sciences 113(28): 7888-7893.

• 9.

  Könneke, M., et al. (2005). "Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizing marine archaeon." Nature 437(7058): 543-546.

• 10.

  Winogradsky, S. (1892). Contributions a la morphologie des organismes de la nitrification.

• 11.

  Lieberman, R. L. and A. C. Rosenzweig (2005). "Crystal structure of a membrane-bound metalloenzyme that catalyses the biological oxidation of methane." Nature 434(7030): 177-182.

• 12.

  Ross, M. O., et al. (2019). "Particulate methane monooxygenase contains only mononuclear copper centers." Science 364(6440): 566-570.

• 13.

  Caranto, J. D. and K. M. Lancaster (2017). "Nitric oxide is an obligate bacterial nitrification intermediate produced by hydroxylamine oxidoreductase." Proceedings of the National Academy of Sciences 114(31): 8217-8222.

• 14.

  Walker, C., et al. (2010). "Nitrosopumilus maritimus genome reveals unique mechanisms for nitrification and autotrophy in globally distributed marine crenarchaea." Proceedings of the National Academy of Sciences 107(19): 8818-8823.

• 15.

  Gwak, J.-H., et al. (2019). "Archaeal nitrification is constrained by copper complexation with organic matter in municipal wastewater treatment plants." The ISME journal: 1-12.

• 16.

  Mattiroli, F., et al. (2017). "Structure of histone-based chromatin in Archaea." Science 357(6351): 609-612.

• 17.

  Johnson, T., et al. (2019). "Methylation deficiency of chromatin proteins is a non-mutational and epigenetic-like trait in evolved lines of the archaeon Sulfolobus solfataricus." Journal of Biological Chemistry 294(19): 7821-7832.

저자약력