인하대, 자기 헴 만들지 않고 남의 헴 먹는 얌체 세균 발견

-조장천 생명과학과 교수 연구팀, 지구상 담수 환경 최다세균에서 숨 쉬는 데 필요한 헴 결핍 확인

-미배양 암흑미생물 이해의 핵심물질로 헴을 새롭게 제시

인하대학교(총장·조명우)는 소양호에서 발견한 지구상 담수 환경의 최다세균이 숨을 쉬는 데 필요한 헴을 스스로 만들지 않고 다른 생물이 만든 헴을 훔쳐 먹고 사는 얌체 세균임을 확인했다고 24일 밝혔다. 물에 떠다니는 독립생활 세균은 호흡에 꼭 필요한 헴을 스스로 합성하여 살아간다는 기존의 통념을 깬 발견이다.

인하대 생명과학과 조장천 교수 연구팀은 실체를 모르는 암흑 미생물을 이해하기 위한 핵심인자로 헴을 제시한 연구결과를 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 11월 23일자에 게재하였다고 밝혔다.

물속 미생물 군집과 헴(heme) 분자의 상상도. 물 환경에서 흔히 관찰되는 여러 미생물과 함께 본 연구에서 사용된 담수 환경 최다세균인 플랑크토필라(초록색)의 세포가 보인다. 미생물 군집 사이에 보이는 분자구조모형은 헴을 나타낸 것으로, 4개의 피롤 고리가 만드는 화학구조의 중앙에 철 이온(주황색)이 자리하고 있다. (그림설명 및 그림제공: 조장천 인하대 교수) 

‘헴(heme)’은 생체에서 여러 가지 중요한 역할을 하는 철 화합물로서 생물의 호흡에 필요한 단백질에 꼭 존재해야만 하는 물질이다. 인체에서 산소를 운반하는 적혈구의 헤모글로빈이 대표적인 헴 함유 단백질이다. 인체에 질병을 일으키는 병원균이나 장내에 서식하는 일부 유산균이 헴을 못 만드는 사실은 알려졌지만, 물속에서 독립생활을 하는 세균 중 헴을 합성하지 않는 세균이 발견된 것은 이번이 처음이다.

연구팀은 호수에서 때로는 절반을 차지하는 최다세균인 플랑크토필라의 유전체를 정밀분석한 결과 헴을 합성하는 유전자가 결핍되어 있음을 알아냈다. 제1저자로 연구에 참여한 김수현 인하대 생명과학과 박사후연구원은 “헴 합성 능력이 없는 이 세균에 헴을 제공하니 잘 자랐다”며 “다른 생명체가 합성한 헴에 무임승차하며 살아간다는 생존의 비밀을 실험으로 입증한 셈”이라 설명했다.

연구팀은 약 2만 5천여 개의 세균 유전체를 정밀조사하여 실체를 모르는 ‘암흑미생물’ 중 많은 미생물이 헴을 합성하지 못한다는 사실을 추가로 밝혀냈다. 암흑미생물은 자연계 미생물 중 99% 이상을 차지하는 미생물로 아직 배양이 되지 않은 미생물을 말한다. 해양고세균과 해양방선균을 비롯한 물환경의 많은 미배양 미생물의 유전체에 헴 합성 유전자가 결핍되어 있음을 확인한 것이다.

연구에 공동교신저자로 참여한 강일남 인하대 생명과학과 연구중점교수는 “자신의 유전자는 버리고 다른 생물이 만든 물질을 섭취하는 얌체 세균의 진화전략인 검은여왕가설을 지지하는 물질로서 헴을 추가한 것이 연구의 주요 성과 중 하나다”라며 소감을 말했다.

(왼쪽부터) 인하대학교 생명과학과 김수현 박사후연구원, 강일남 연구중점교수, 조장천 교수

연구책임자인 조장천 교수는 “많은 암흑미생물에서 헴 합성 유전자의 결핍이 확인된 만큼 이들을 배양하기 위한 핵심 물질로서 헴을 제공하는 배양 연구가 필요하다”면서 “다른 미생물에게 무임승차하는 얌체 세균의 진화전략에 대한 이해가 암흑미생물을 배양하는 실마리가 되어 유용한 미생물을 인류가 확보하게 될 것이다”라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업과 선도연구센터지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, ‘우점 수계 미생물의 헴 영양요구성(Heme auxotrophy in abundant aquatic microbial lineages’라는 제목의 논문으로 발간되었다.