이형세포

광합성 세균인 질소고정 남세균(nitrogen-fixing cyanobacteria)의 일종인 사상형의 Anabena종에 특이적으로 발달하는 비광합성 세포(non-photosynthetic cells)로 그 속에서 질소고정이 일어난다. 질소고정을 촉매 하는 효소복합체인 질소고정 효소(nitrogenase)는 산소에 의해 쉽게 파괴되므로, 이형세포(heterocyst)라 불리는 두꺼운 세포벽을 갖는 비광합성의 세포 내에 질소고정효소가 존재하게 함으로써, 광합성과정 결과 생성되는 산소에 의해 질소고정효소가 손상되지 않고, 안정적으로 질소고정이 일어날 수 있다. 

목차

대기의 약 80%가 질소이지만, 남세균을 비롯한 소수의 세균 종만이 기체 상태의 질소를 직접 질소원으로 이용할 수 있다. 기체 상태의 질소를 암모니아로 전환하는 과정을 질소고정이라 하며, 이 과정을 촉매 하는 효소인 질소고정 효소(nitrogenase)는 산소에 의해 쉽게 불활성화된다.  

질소고정 세균은 자유생활 세균과 공생세균의 두 부류로 나눌 수 있다. 자유생활을 하는 질소고정 세균은 식물뿌리에서 2 mm이내 지역인 근권(rhizosphere)에서 주로 발견되며, 대표적인 자유생활 질소고정 세균은 호기성의 Azotobacter속 세균으로, 이들은 매우 빠른 속도로 산소를 소비하여 질소고정효소가 있는 세포 속으로 산소가 확산되는 것을 최소화 함으로써 산소에 민감한 효소를 보호하는 것으로 보인다. Clostridium속 세균을 비롯한 일부 혐기성 세균과 광합성 남세균의 일부도 자유생활을 하는 질소고정세균이다. 공생 질소고정세균으로는 콩과식물의 뿌리에 감염하여 형성한 뿌리혹 속에서 대기 질소를 고정하는 Rhizobium과 Bradyrizobium 속 세균이 있다.  

남세균의 분류 연구는 식물학자와 미생물학자가 각기 다른 코드를 사용하여 독립적으로 진행하고 있기 때문에 공인된 분류체계가 확실하게 존재하지 않지만, 전통적으로 형태 특성 및 질소고정 여부에 기반한 7가지 속으로 분류한다. 이중 질소고정 능력이 있는 남세균은 Nostoclaes와 Stigonematales속으로 영양세포(vegetative cell)로부터 분화되는 이형세포 내에서 질소고정(nitrogen fixation)이 이루어진다. 영양세포에서 만들어진 광합성 산물은 이형세포로, 이형세포에서 만들어진 암모니아 등의 질소고정산물은 영양세포로 이동한다. 이같이 질소고정 남세균은 질소원과 탄소원을 합성하고 다른 생물이 이를 이용할 수 있기 때문에 생태적으로 매우 중요하다. 따라서 남세균의 활동은 궁극적으로 자연계에서 광범위하게 생물의 생장을 지탱하므로, 이러한 활동이 없다면 자연계에 유용한 질소와 탄소의 결핍을 피할 수 없을 것이다. 실제로 해양에 서식하는 질소고정 남세균은 다른 해양생명체를 지탱하는 1차생산자이다. 

다수의 남세균은 질소고정능력이 있으나, 질소고정효소가 산소에 의해 불활성화되기 때문에 산소형성 광합성과 질소고정은 병립될 수 없다. 따라서, 남세균은 생체시계를 이용하여 광합성과 질소고정을 시간적으로 분리시키거나 다세포화 및 세포분화를 통하여 공간적으로 분리시키는 두 가지 기작을 이용한다. 예 들어, Cyanothece 속의 종들은 낮에는 글리코겐을 저장하고 밤에 질소를 고정하며, 사상형의 Trichodesmium erythraeum은 낮에 일련의 특화된 세포 내에서 질소를 고정한다.    

Anabaena속의 특정 남세균에서 생성되는 이형세포는 사상체(filaments) 내에 일정한 간격으로 규칙적으로 형성되는데, 정교한 유전적 조절을 받아 대략 광합성을 하는 영양세포 10~20개 마다 하나의 이형세포를 만들어, 이산화탄소(CO₂) 고정과 광합성을 제한하여 산소(O₂) 생성은 억제하고 질소(N₂) 고정은 촉진시킨다. 또한, A. azollae는 물고사리(Azolle)와 밀접한 공생관계를 형성하기도 하는데, 물고사리에 있는 특수한 주머니 속에 이 세균이 보호 받고 자라면서 질소를 고정하여 물고사리가 이용 가능하도록 공급한다. 반면, 단세포형 남세균인 Synechococcus 종은 어두운 곳에서만 질소를 고정함으로써 질소고정과 광합성이 시간적으로 분리되도록 한다.  

질소고정 남세균의 질소고정은 산소가 생성되지 않는 이형세포 속에서 이루어지는데, 이형세포에는 광계 II (photosystem II)가 없기 때문에 산소에 민감한 질소고정효소가 안정적으로 작용하여 질소고정이 이루어진다. 사상체는 두 가지 형태의 세포가 실에 꿰어진 구슬과 같은 양상으로 배열되어 있으며, 사상형 남세균인 Anabaena 등에서 연구된 이형세포 발달과정을 간략히 살펴 보면 다음과 같다. 

사상형의 남세균인 Anabaena는 다세포성 원핵생물로 대기 질소를 고정하여 영양세포로 공급하는 고도로 특화된 세포인 이형세포를 생성한다. 이들 남세균류는 질산염이나 암모니움염 등의 결합질소원(combined nitrogen)이 존재하면, 광합성을 하는 수백 개의 영양세포로 구성된 기다란 사상체로 자란다. 한편, 결합질소원이 없을 때에는 최종적으로 질소고정 세포로 분화하는 이형세포를 생성하는데, 기다란 사상체의 영양세포 10 ~ 20개당 한 개의 이형세포가 반복되는 다세포성 패턴을 나타낸다 (그림 1). 이형세포 발달에는 다양한 세포 내/외 신호의 총괄(intergration), 사상체 내 세포간 소통, 유전자 및 세포과정의 시공간적 조절 등이 관여하므로, Anabaena 등의 이형세포 발달 연구는 원핵생물의 다세포 발달과정의 세포운명, 패턴형성 및 분화 유전자 발현 등의 연구를 위한 뛰어난 모델로 입증된 바 있다. 

그림 1. Anabaena의 이형세포 발달 (A) 결합질소원이 함유된배지에 배양한 Anabaena PCC 7120은 광합성을 하는 영양세포가 실모양으로 자람. (B) 결합질소원이 없는 배지에서는 사상체내의 영양세포 10 ~ 20개 간격으로 1개의 이형세포가 분화하는 유형으로 생장.  이형세포는 영양세포보다 크고 두꺼운 다층의 막을 가지며, 영양세포에 접한 이형세포 끝머리에 cyanophycin 입자가 위치함. (그림: 한국미생물학회)

Anabaena 등은 산소에 민감한 질소고정효소를 이형세포라 불리는 특이적으로 분화된 세포에 위치시킴으로써 호기성 광합성과 질소고정을 동시에 수행할 수 있다. 이형세포 분화는 복잡한 대사 및 형태 변화를 수반한다. 결합질소원이 고갈되면 사상체를 따라 영양세포 10 ~ 20개 마다 이형세포가 나타나는 형태를 띄게 되는데, 이 과정은 확산성의 patS 유전자 산물이 주조절자(master regulator)인 HetR에 작용함으로써 조절된다. 이형세포는 기체산소의 확산을 막는 외피층을 만들거나 광계II를 해체하여 호흡을 활성화시킴으로써 세포질을 미세산소(microoxygenic) 조건으로 유지한다. 이형세포와 영양세포는 상호 의존적인데, 영양세포는 탄소골격을 이형세포는 결합질소 화합물을 공급한다. 글루탐산(glutamic acid)과 저장화합물인 cyanophycin의 분해산물인 β-aspartyl-arginine이 이형세포로부터 영양세포로 결합질소원을 공급하는 전달체로 여겨진다. 고정탄소의 전달체로는 자당(sucrose)가 가장 유력한데, 질소자급영양형(diazotrophic) 생장을 위해서는 영양세포에서 자당이 생산되고 이형세포 내의 invertase에 의해 분해되어야 하기 때문이다. 그러나 글루탐산이나 알라닌 등의 아미노산 역시 이형세포로 전달될 수 있는 것으로 여겨진다.

이형세포는 영양세포에 비해 다소 큰 구형으로 색소가 적으며 세포막이 두껍고 영양세포에 인접한 끝부분에 cyanophycin 입자가 특징적으로 존재한다(그림 2). 성숙한 이형세포는 질소고정에 요구되는 미세산소환경 조성을 위하여 산소가 발생하는 광합성을 수행하는 영양세포와 공간적으로 분리되어 있다. 분화중인 이형세포는 다양한 대사 및 형태변화를 보이며, 산소를 생성하는 광계II가 분화과정 동안 붕괴되어 이형세포의 호흡률이 증가한다. 이형세포 발달 중 일어나는 형태변화로는 두 가지의 이형세포-특이 당지질로 구성된 층상의 내막과 다당류로 구성된 외막이 형성된다. 이형세포와 영양세포는 상호의존적인데, 광계II가 없어 탄소고정을 하지 못하는 이형세포는 영양세포로부터 환원물과 탄소원인 자당을 제공받는다. Anabaena의 경우, 글루타민산과 다른 아미노산으로 전환되는 글루탐산은 영양세포에서 합성되어 이형세포에 제공되는 한편, 이형세포에서 고정된 질소는 재빠르게 인접하는 영양세포로 이송된다.  

대사산물의 상호교환과 이형세포의 간격을 조절하는 신호는 세포질이 서로 연결된 사상체의 세포 간에 물질이동이 가능해야 한다. 즉, 한 세포에서 유리된 물질은 사상체를 따라 인접 세포로 흡수되어야 한다. 최근 인접세포 간 원형질이 연결된 접합부(또는 채널)을 통해 분자가 자유롭게 교환됨을 뒷받침하는 연구결과가 발표되었는데, 세포질에 투여된 칼세인(Calcein)이라는 작은 형광물질이 세포 간에 빠르게 확산되었으며, 전자현미경 관찰 결과 microplasmodesmata라는 세포 간 연결구조의 존재가 제안되었다. 또한, 에스큘린(escluin)이라는 형광의 자당 유도체는 자당 유입체계를 통해 Anabaena의 세포질로 유입된 후, 영양세포-영양세포 사이 또는 영양세포-이형세포 사이에 빠르지만 가역적으로 교환되었으며, 오래된 이형세포의 상당 부분에서는 이러한 세포 사이의 대사물질 교환이 소실되었다. SepJ, FraC 그리고 FraD의 세 가지 단백질이 세포 사이의 격벽에 존재하면서 갭-연결(gap-junction)과 유사한 구조를 형성하는 것으로 추정되었고, 이 들 세가지 단백질 유전자 돌연변이체는 격벽 구조에 변형이 일어났을 뿐만 아니라, 사상체 내 세포 사이에 에스큘린이나 형광 유도체의 확산능도 손상되었다.

그림 2. 남세균과 이형세포의 형성. (A) Phanizomenon의 광학현미경 사진. (B) Anabena. 이형세포에서의 유전자 발현 양상이 주위 세포와 다르다는 것을 녹색형광 단백질을 이용하여 보여줌. 이형세포가 더 밝은 녹색을 띰 (출처: 한국미생물학회)

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박희문/충남대학교

조유희/차의과학대학교