<사진. 다른 깊이에서 눈 시료 포집을 이용하여 수직 눈 프로파일을 구축하기 위하여 해빙 위 눈덩이로 덮인 들판에 구멍을 뚫고 있는 연구진
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

독성 수은 내성에서 오랜 진화를 보여준 북극 박테리아

많은 과학자들은 지구상에서 유사하게 혹독한 조건에 적응한 북극과 남극 미생물(microbe)에 대한 연구에 대한 어떠한 성과도 얻지 못했다.

최근 덴마크 오르후스 대학(Aarhus University) 소속의 연구진은 오래된 혈통을 가진 것으로 나타나는 순응(adaptation)의 형태인 독성 수은(toxic mercury)에 대한 북극의 박테리아 내성(Arctic bacterial resistance)의 진화적인 지류를 추적했다. 북극에 대한 이전의 탐사 결과는 박테리아의 약 31%가 다양한 지역에 다시 번성했으며, 독성 수은을 보다 더 무해한 화학적 형태로 분해할 수 있는 유전자를 암호화하는 유전자 염기서열(genetic sequence)인 수은 환원 효소(merA; mercuric reductase gene)를 함유하도록 실험실 배양에서 성장됐다. 매년 북극에 300 톤 이상의 독성 오염물질이 추가되어 천연 자원에 인간 오염원으로부터 수은 배출이 증가하고 있기 때문에, 박테리아 내성은 중요한 생존 특성이다. 최신 연구는 북극 박테리아의 시료 중 최근 및 현대의 진화적 가계 모두에 merA를 가지고 있다는 증거를 발견했다.

이것은 merA가 연장된 시간 기간 동안 북극에서 상당히 높게 존재했으며, 북극에서 수은 오염(mercury contamination)이 새로운 현상이 아니라는 것을 제안했다고 덴마크 오르후스 대학 환경 과학부 책임자이며 미생물학자인 Niels Kroer는 밝혔다. 다시 말해서, 대기에 의한 높은 북극으로 수은의 이동이 산업 혁명에 앞선 자연적 공정이라는 것을 의미한다.

merA 내성은 Hg(II)의 수은 형태를 Hg(0)로 환원시킴으로써 작동한다. Hg(0)는 대기로 증발할 수 있는 수은의 원소 형태를 대표하고, 박테리아의 당면한 환경의 해독으로 이어진다. 일광에 대한 노출을 통한 화학적 환원은 눈에서 수은 제거의 가장 일반적인 경로지만, Kroer 연구팀과 미국 연구진은 과거에는 수은-내성 박테리아가 북극 눈에서 수은의 2~10%를 제거하는 데 도움을 줄 수 있는 것으로 추정했다. FEMS Microbiology Ecology 저널에 발표된 연구팀의 최근 연구는 북극에 서식하는 수은 내성 박테리아(mercury-resistant bacteria)에서 merA 유전자의 다양성을 밀접하게 관찰했다.

연구진은 그린란드 북극 남쪽을 약 575마일에 위치한 Nord 기지로 혹독한 탐사를 해야만 했다. Kroer의 첫 번째 시도는 악천후로 2014년 4월 초 덴마크 공군의 C-130 헤라클레스 군용기(Hercules military aircraft)가 착륙에 실패했다. 5월에 있었던 성공적인 두 번째 시도는 양호한 날씨와 ?25℃의 상쾌한 온도와 하루 종일 햇빛이 비치는 가운데 이루어졌다. 이러한 기후 조건은 연구진이 높은 북극의 눈, 담수 및 해빙 등을 수집할 수 있게 해주었다.

유전자 검사는 71개 수은 내성 박테리아 시료 중 이전에는 발견되지 않았던 merA 유전자의 3개의 새로운 변종을 포함한 merA 유전자의 7개의 다른 변종을 발견했다. 그러나 이 연구에서 가장 놀랄만한 점은 18개 박테리아 시료 중 5개의 박테리아 시료에서 merA 유전자를 발견했다는 점이다. 이러한 박테리아 시료는 박테리아가 Hg(II)를 Hg(0)로 환원시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 연구 결과는 북극에서 발견되지 않은 merA 유전자가 새롭게 규명된 변종 이상 더 많은 수가 있을 것이라고 제안하고 있다.

수많은 다른 분류학상의 소그룹 중 동일한 merA 유전자 변종의 발견은 많은 북극 미생물이 주요 염색체의 독립적인 자가 복제가 가능한 플라스미드(plasmid)라고 불리는 DNA 분자의 교환인 수평적 유전자 이동(horizontal transfer)을 통하여 수은 내성을 얻는다는 것을 암시한다. 알려진 merA 변종은 중앙아시아에 위치한 수은 광산과 12만년의 시베리아 영구 동토층 시료에 대하여 다양한 지역에서 전 세계적으로 발견될 수 있다.

북극 박테리아 사이에서 merA 유전자의 확산은 수평 유전자 이동, 지역 선택적인 압력 및 수백만 년의 진화에도 불구하고 종을 가로질러 보존되어 온 특정 일반적인 DNA 염기 서열 등과 같은 조합을 반영한다고 Kroer는 밝혔다. 박테리아 플라보박테늄 SOK62(Flavobacterium SOK62)의 전체 게놈 염기 서열 시험은 arsR 조절 유전자(arsR regulator gene)의 존재가 종종 고대 수은-내성 가계와 더 관련이 있다는 사실을 밝혀냈다.

또 Kroer 연구진은 다른 북극 하부 환경 내에서 폭넓은 범위의 수은 내성을 발견했다. 얼음으로 덮인 담수 호수와 해빙 염수(sea-ice brine)로부터 수거한 시료 박테리아의 2% 미만이 수은에 내성을 가지고 있었다.

최신 연구는 북극 미생물에서 merA 유전자의 분포에 대한 보다 더 포괄적인 그림을 구축하는 데 있어서 작은 단계이다. Kroer는 더 많은 연구가 북극 미생물에서 더욱 비밀스러운 merA 변종을 규명하는데 도움을 줄 수 있는 더 많은 전체 게놈 염기 서열 테스트뿐 아니라, 다른 지역의 변종에 대하여 수행될 필요가 있다고 기대하고 있다. 또 이러한 지식은 연구진이 물개와 북극곰과 같은 생명체에서 수은의 구축으로 이어지는 공정에 대한 이해를 개선하는 데 도움을 준다.

넓은 의미에서, 혹독한 환경에 유기체가 적응하는 데 도움을 주는 유전자의 진화 가계(evolutionary lineage)를 이해하는 것이 폭넓은 우주에서 생명체의 생존을 이해하는데 보다 더 큰 그림을 그릴 수 있다. 북극 미생물에 대한 Kroer의 최신 연구는 미국 나사 우주 생물하과 진화 생물학 프로그램(Exobiology and Evolutionary Biology Program)에 의해 부분적으로 지원됐다.

증가된 막 유동성(membrane fluidity), 추위에 적응된 효소의 합성, 저온 충격의 생성 및 부동 단백질 등과 같은 다양한 물리사회학적 적응은 박테리아가 추운 조건 하에서 생존할 수 있게 해주고, 박테리아의 활성이 0℃ 온도에서 해빙과 눈에서 검출됐다고 Kroer는 밝혔다. 동일한 메커니즘이 외계 생명체에 대하여도 중요할 수 있다고 Kroer는 밝혔다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr