최적유전체

유전체 최적화(genomic streamlining)는 훨씬 적은 비암호화 DNA(non-coding DNA)와 비필수 유전자를 가지고 있는 원핵생물(prokaryotes)이 증식에 유리하기 위해서 보다 작은 유전체 크기를 가진다는 진화생물학(evolutionary biology) 및 미생물생태학(microbial ecology)의 이론이다. 최적화된 세포(streamlined cells)의 두드러진 특징은 유전체 크기가 작아진다는 것인데, 여기서 최적화는 세포의 효율화(cellular economization) 방안으로서 세포 크기와 복잡성의 최소화에 유리한 선택(selection)과 관련이 있다. 

목차

축소된 유전체(reduced genomes)를 가진 원핵생물(prokaryotes)의 진화는 생물체가 제공된 원료와 환경을 선택하여 환경에 맞도록 미세조정한다는 다윈(Darwin)의 외부자 진화론(externalist theory of evolution)과 일치한다. 숙주와 관련된 세균 및 고균(archaea)은 자연계에서 세포 소기관(organelles)과 바이러스보다도 가장 작은 유전체를 진화시켰는데, 이러한 양상의 근거는 간단하다. 보호되고 화학적으로 풍부한 배지에서 살고 있는 원핵생물은 독립생활(free-living) 방식의 모호함에 대처하는 것보다 더 많은 유전자를 잃어 버릴 수 있다. 반면에, 해양 환경에서 독립생활을 하는 대부분의 세균의 다른 계통은 자연 선택(natural selection)의 직접적인 작용에 의해서 축소된 유전체를 진화시켰다¹⁾. 유전체 설계, 유전자 합성 및 세포 구성성분의 통합은 최적화 유전체를 가진 생물체의 생성에 있어서 중요한 역할을 담당한다.  

최적화된 세포(streamlined cells)의 두드러진 특징은 유전체 크기가 작아진다는 것인데, 여기서 최적화(streamlining)는 세포 크기와 복잡성의 최소화에 유리한 선택(selection)과 관련이 있다. 이론적으로, 최적화는 영양이 풍부한 환경에서는 별반 문제가 되지 않는다. 다만, 영양분이 부족한 환경에서는 성공(success)해야 하는 것이 절대적이며, 보다 더 많은 영양 자원을 수집하거나 혹은 그들을 보다 효율적으로 사용하면 성공 가능성이 증가하게 된다. 여기서 말하는 성공의 정의는 높은 유전자 빈도(gene frequencies)를 지칭하는데, 오늘날 미생물 생태계에서는 유전자 빈도가 풍부함과 다양성을 측정하는 가장 일반적인 척도이기 때문이다.

사실 유전체 데이터가 훨씬 더 접근하기 쉽기 때문에 주로 유전체 최적화(genome streamlining)를 다루지만, 세포의 크기 감소가 동일한 선택적 압력의 결과일 수 있다는 것을 명심해야 한다. 원칙적으로, 작은 세포일수록 복제 비용의 감소에 의해서뿐만 아니라 최상의 영양성분 수송 특성을 부여하는 보다 높은 표면/체적 비율(surface-to-volume ratios)에 의해서도 이점을 가지게 된다.

작고, 단순하며, 조밀한 세포가 보다 효율적일 수 있다는 생각은 흥미로우며, 미생물 진화의 본질에 대한 발현이 발견되었다. 그러나 최적화는 자원 경쟁에 의해서 성공(success)이 결정되는 극도로 희박하고 자연스런 환경에서의 미생물의 적응을 토론하기 위해서 역사적으로 사용되어 온 아이디어의 범위에 적합한 현대적 이론이다. 이러한 배경에 대해서 개관하고, 미생물 공동체 내에서 공동 진화적인 동력학(co-evolutionary dynamics)을 위한 최적화의 잠재적 함의를 탐구하는 새로운 아이디어의 맥락에서 유전체 최적화가 검토되었다²⁾. 또한 비표준적인 대사경로가 어떻게 최적화에 의해서 진화할 수 있는지를 설명하기 위해서 펠라기박터(Pelagibacter)의 사례를 검토하여, 대사적 적응과 유전자 조절에 대한 전망이 수정되었다.

현재 최적유전체(streamlined genomes)가 이전에 생각하였던 것보다 훨씬 더 일반적인 것으로 입증되고 있다. 역설적이게도, 최적화 이론(streamlining theory)을 뒷받침하는 대부분의 자료는 배양 세포, 특히 관심을 끄는 소수의 생물체에 관한 연구로부터 유래되었는데, 배양 비의존성(culture-independent) 연구 결과에 따르면 이들이 자연에서 매우 성공적이었음을 보여주었기 때문이다. 

빈영양세균(oligotrophy, 貧榮養細菌)은 매우 낮은 영양성분 농도에서 대사 및 성장하는 세균을 말하며, 높은 영양성분 농도에서 성장하는 고영양세균(copiotroph)은 배양에서 쉽고 빠르게 성장하는 일반적인 화학종속영양세균(chemoheterotrophic bacteria)의 동의어가 되었다. 한편, 상기의 2가지 모두가 가능한 대부분의 생물체는 통성 빈영양세균(facultative oligotrophs)이라고 부른다. 세포의 섭취 동력학(uptake kinetics), 막 전달체 특성, 대사경로 특성 및 표면/체적 비율의 측면에서 빈영양세균(oligotrophs)을 정의하는 이론이 개발되었다. 이러한 이론은 매우 낮은 영양성분 농도에서 효과적으로 경쟁할 수 있는 세포의 다양한 능력을 직접적으로 다루었다. 동력학 이론(kinetic theory)의 근본적인 견해는 성공적인 빈영양세균이 공정 최적화의 사례라는 것이다. 즉, 필요한 유전체와 공정을 수용할 수 있을 만큼 커야 하며 공급원을 가장 효율적으로 사용하려면 크기와 복잡성을 최소화해야 한다.  

세균성 공생체(symbionts), 공생균(commensals), 기생충(parasites) 및 병원성세균(pathogens) 등의 유전체 축소는 최적화된 독립생활 생물체와는 다른 진화 기작에 의해서 일어난다³⁾⁴⁾⁵⁾. 병원성세균은 정화 선택(purifying selection)이라기 보다는 유전적 부동(genetic drift)으로 인해서 유전체 축소를 일으키는 것으로 생각된다⁵⁾. 이러한 경우에 DNA 돌연변이가 우연히 발생하게 되며, 적응할 수 없는 유전체 분해 및 전반적인 적정성(fitness) 저하로 이어질 수 있다⁵⁾. 복제 과정에서 적정성을 높이기 위해서 비암호화 DNA 영역이나 외부 유전자를 잃어 버리는 대신에 숙주, 공생체 또는 환경에 의해서 보완될 수 있는 특정한 핵심 대사 유전자를 잃어버린다⁵⁾. 그림 1에 독립생활 원핵생물 사이의 유전체 축소를 설명하기 위한 상이한 기작이 제안되어 있다.

유전체 최적화(genomic streamlining)는 훨씬 적은 비암호화 DNA(non-coding DNA)와 비필수 유전자를 가지고 있는 원핵생물(prokaryotes)이 증식에 유리하기 위해서 보다 작은 유전체 크기를 가진다는 진화생물학(evolutionary biology) 및 미생물생태학(microbial ecology)의 이론이다⁶⁾.

더 작은 유전체가 세포의 효율화(cellular economization) 방안으로서 선택에 의해서 직접적으로 선호되는 최적화로 알려진 과정에 의한 유전체 축소가 가장 보편적인 설명이다. 이 가설에 따르면, 자연적인 선택(natural selection)은 저영양(low-nutrient) 환경에서 살고 있는 독립생활 원핵생물의 유전체 축소를 직접적으로 선호한다. 이러한 주장은 불필요한 유전자가 세균에 대해서 적정 비용을 부여하기 때문에 제거된다는 기본 생각에 근거한다. 이것은 특히 대규모의 집단에서 효과적인데, 그 이유는 다음과 같다. 매우 큰 집단 규모는 유전자 부동(genetic drift)의 영향을 무시할 수 있으며, 보다 더 중요한 것은 자연 선택의 과정을 매우 효율적으로 만든다는 것이다. 그런 다음에, 적정성이 증가하는 소실(fitness-increasing deletion)이 발생하면, 특히 작은 유전체가 세포 유지를 위해서 물질 및 에너지를 절약하는 방법으로 진화하는 저영양 환경과 같이 높은 선택적 압력(selective pressures) 하에서, 집단 내에 신속하게 고정된다.

최적화 가설(streamlining hypothesis)에 따르면, 다음과 같은 특징이 세포 대사를 효율화하기 위해서 작용하는 자연적 선택(natural selection)과 일치한다. 첫째, 유전체의 G+C 함량(30~36%)이 적기 때문에 생존하고 있는 환경에서 부족한 DNA 합성용 인 및 질소 요구량을 훨씬 저감시킨다. 둘째, 작은 세포 체적(~0.1 μm³)은 세포의 표면/체적 비율(surface-to-volume ratio)을 증가시켜서 자체 음영(self-shading)을 감소시키고 영양소 섭취를 향상시킴으로써 광합성(photosynthetic) 효율을 향상시키는 것으로 추정되며, 또한 자체적으로 적응하여 보다 작은 유전체에 대해서 진화론적 압박(evolutionary pressure)을 가하게 된다. 이것은 더 작은 세균 세포가 더 작은 체적을 가지며 단지 소량의 DNA만을 함유할 수 있다는 논리에 따른다. 반면에, 내부 공간의 너무 많은 부분이 DNA 저장에 사용되면, 나머지 체적은 다른 세포 성분에게 충분하지 못하게 된다. 세포 체적은 0.013~400 μm³의 넓은 범위를 가지고 있는데, 체적이 0.6 μm³ 미만인 경우의 세포는 작은 것으로 간주된다⁷⁾. 셋째, 최적화 가설은 효율성의 영향이 적정성(fitness)의 증가로 관측될 수 있음을 시사한다.

유전체 최적화(genome streamlining)는 축소적인 유전체 진화(reductive genome evolution)를 설명하기 위해서 제안되었다. 이러한 제안은 최적 유전체(streamlined genome)의 여러 가지 특성을 기반으로 한다. 예를 들어, 작은 세포 크기(0.019~0.039 μm³)는 자연 선택에 의해서 진화된 것으로 추정되었다. 따라서, 선택이 표면/체적 비율을 최적화하기 때문에 기질을 가공 처리하는 세포질(cytoplasm)의 능력이 수송 속도와 일치하게 된다. 축소된 유전체에서 비암호화 DNA의 비율이 작은 이유는 최적화 선택의 증거로 해석되었다. 실험실 조건에서의 선택이 유전체 축소를 유도할 수 있는 것으로 밝혀짐에 따라서 최적화 가설이 뒷받침되었다.

최적화된 유전체는 전형적으로 다음과 같은 특징을 가지고 있다. • 고도로 보존된 핵심 유전체(core genome)와 일부 의사유전자(pseudogenes)를 가지는 작은 유전체 • 유전자 내의 스페이서(spacer) DNA와 코딩(coding) DNA의 비율이 낮다 • 낮은 수의 파라로그(paralogs)⁸⁾⁹⁾. 이러한 관측을 설명하기 위해서 최적화 이론이 나타났다. 최적화 이론의 본질은 효과적인 집단 크기가 큰 생물체에서는 선택이 가장 효율적이며, 복제(replication)에 필요한 공급원을 최소화하는 세포 구조에 유리하다는 것이다.

최적화 이론(streamlining theory)은 어떤 상황에서는 선택이 세포의 복잡성을 최소화할 수 있다는 생각에 근거한다. 다른 세포와 밀접하게 관련되어 성장하고 있는 SPC(symbiotic, parasitic, commensal) 생물체에 속하는 유전체는 최적화된 독립생활 세포보다 훨씬 작은 미생물 유전체를 가질 수 있다¹⁰⁾¹¹⁾. SPC 미생물의 유전체 축소는 최적화 진화를 정의하는 것과는 확연히 다른 진화 과정에 의해서 발생하며, 상이한 유전체 서명(genomic signatures)을 남긴다. 이러한 2가지의 유전체 축소 경로는 그림 2에 대비되어 있다. SPC 유형의 작은 유전체는 매우 상이한 유전체 서명)을 생산하는 유전적 부동(genetic drift)의 원인이라고 생각되는데, 예를 들어 비암호화 유전물질의 확장, 비동의적인(non-synonymous) 치환율의 증가, 생합성 경로의 손실 등으로 인해서 원시영양체(prototrophy)가 증가하게 된다.

선택의 차별화된 능력의 증가가 최적화를 선호할 수 있는 것으로 강조되고 있는데¹⁾, 작은 유전체 크기가 어떻게 적합성 우위를 부여하는지에 대한 의문이 남는다. 최적화된 해양 생물에서는 더 낮은 질소 함량을 가지고 있는 아미노산, 예를 들면 아르기닌(arginine)에 대한 라이신(lysine)의 치환과 뉴클레오타이드(nucleotides)의 비율이 높아지는 경향이 있으며, 최적화 선택이 세포 복제에 필요한 질소의 함량을 감소시키는 역할을 한다는 것을 나타낸다. 

미생물 공동체에서의 높은 연관성에 대한 보고는 이러한 연관성이 스트레스에 대한 생물학적 공동체의 반응을 예측하는 데 도움이 될 수 있으므로 주의를 끌었다. 이러한 연관성은 변동하는 집단 사이의 상관관계로 명확하게 나타나며, 한 생물체에 의한 화합물 생산 및 다른 생물체에 의한 사용과 같은 상호작용 때문에 발생할 수 있다. 유전체 축소와 관련된 비정상적인 영양 요구성은 잠재적으로 일부 연관성을 설명할 수 있으며, 더욱이 공동진화적 동력학(co-evolutionary dynamics)을 예측할 수 있다. 자원 경쟁이 치열해짐에 따라서 포도당과 무기염 등의 최소영양분이 첨가된 배지에서 생육이 가능한 세포주인 원시영양체(prototroph)의 상대적 비용, 즉 성장을 위해서 필요한 화합물을 만드는 능력이 동시에 증가하게 된다. 따라서 필수 영양성분을 사용할 수 없기 때문에 때로는 복제할 수 없는 비용보다 복제에 필요한 인, 질소 또는 탄소 유래 에너지가 적게 필요하다는 장점이 더 큰 경우에 유전자 손실이 유리하다.

BQH(Black Queen Hypothesis)는 영양요구성을 설명하기 위해서 유전체 축소 및 공동진화 모델을 필요로 한다²⁾. 이러한 가설은 많은 중요한 대사경로가 세포에서 빠져 나가서 미생물 공동체에서 공공재(public goods)가 될 수 있는 대사산물 또는 해독(detoxification) 기능을 하는 누출 산물(leaky products)을 생성한다고 주장한다. 누출된 대사산물(leaked metabolites)의 경우에 세포막을 통해서 이러한 대사물질을 운반할 수 있는 생물체는 더 이상 대사물질을 새로(de novo) 합성할 필요가 없다. 최적화 하에서 대사산물 합성에 참여하는 유전자의 동시적인 손실은 공동체 자원에 대한 영양요구체(auxotrophy)을 희생시키면서 제한된 자원 하에서 선택적인 이점을 제공한다. 따라서 BQH는 영양성분의 제한 하에서 공동체 연관성을 증가시키고 최적화 기작을 위한 강제적인 조직 체계를 제공한다.

비록 그것이 흥미로울지 모르지만, 최적화의 많은 사례는 BQH에 적합하지 않다. 예를 들어, 원시영양체의 손실보다는 오히려 가장 잘 이해된 사례인 펠라기박터(Pelagibacter)의 유전체 축소의 대부분이 세포가 광범위한 조건에 적응할 수 있도록 반응하는 대사경로와 조절 복잡성을 제거한다. 예를 들어, 질소 스트레스에 반응하는 최초의 알파프로테오박테리움(Alphaproteobacterium) PII 비의존적인(PII-independent) 시스템이 최근에 펠라기박터(Pelagibacter)에 기술되었다. 다수의 새롭고 보존된 리보스위치 유사(riboswitch-like) 구조뿐만 아니라 전사 조절제(transcriptional regulators)를 포함하는 이러한 조절 시스템은 다른 알파프로테오박테리움에서 발견되는 시스템에 비해서 매우 축소된 유전자 세트에 의해서 암호화되어 있다.

둘째로, BQH의 조건 하의 유전체 최적화는 특정 기질에 대한 영양요구체 증가를 통해서 연관성을 증가시킨다. 그러나, 펠라기박터를 배양하기 어렵게 하는 비정상적인 영양성분 요구성의 대부분은 다양한 화합물에 의해서 충족될 수 있다. 예를 들어, 메티오닌(methionine), 시스테인(cysteine), 디메틸술포니프로피온산염(dimethylsulfoniopropionate) 또는 메탄티올(methanethiol)은 이들 세포에 황 성분을 공급할 수 있다. 놀랍지 않게도, 펠라기박터에서는 공동진화론적 동력학과 관련된 적합성에 대한 타협을 최소화하는 유전체 축소 경로에 유리하게 진화되었다. 만약 최적화 생물체가 현재 환경에서 우세한 것으로 보이고 펠라기박터 모델을 일반화할 수 있다면, 특정 분류군 사이의 진화적 연계성의 결과라기보다는 오히려, 복잡한 화학적 환경에서 천천히, 그러나 효율적으로 생육하도록 적응된 단순화된 형태의 세균을 일반적으로 발견할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

최적화(streamlining)의 우세 경향

최적화가 광범위한 현상이 될 수 있다는 조짐은 유세포계측법(flow cytometry)에서 유래한 것으로서, 대부분의 배양된 빈영양세균 분리주는 42.9 Mb의 유전체 크기를 가지고 있지만, 천연 미생물 플랑크톤 공동체는 1~2 Mb 범위의 훨씬 작은 유전체 크기를 갖는다. 해양 플랑크톤의 표면 집단에서 41개의 단일 증폭 유전체(single amplified genomes, SAG)을 분석했을 때, 대부분의 풍부한 해양세균이 펠라기박터(Pelagibacter), 프로클로로코커스(Prochlorococcus) 및 OM43에서 볼 수 있는 것과 동일한 최적화 특성을 나타낸다⁹⁾. 또한 단일 증폭 유전체(SAG)와 배양된 대표자(cultured representatives) 모두를 포함하는 분류학적 그룹 내에서 최적화의 유전체 서명(genomic signatures)에서 단일 증폭 유전체와 그들의 배양된 동족 로도박터(Rhodobacteraceae) 사이에 차이가 있음이 관찰되었다. 

축소된 유전체의 새로운 증거는 해양에만 국한되지 않고 있는데, 대수층 메타게노믹 데이터로부터 미배양된 세균의 4개 후보 식물의 유전체는 0.2 Mb의 유전체 크기로 추정되었다. 뒤이어 대수층 침전물로부터 4개의 후보 동물인 SR1, WWE3, TM7 및 OD1 등의 추가적인 유전체를 재구성하여 몇 가지 주요 대사산물에 대한 확인 가능한 생합성 경로가 결여된 매우 작은 유전체(0.7~1.2 Mb)가 발견되었다¹²⁾.

자연에서 매우 풍부하다고 알려진 배양된 세균의 유전체와 배양하지 않고 회수된 유전체는 평균보다 작다. 배양된 세균 및 고균 유전체(archaeal genomes)에 대한 이전의 분석 결과에 따르면, 크기는 쌍봉이 되는(bimodal) 경향을 나타내는데, 약 2 Mb와 5 Mb에서 피크를 보였다. 단세포 유전체와 메타게노믹 어셈블리(metagenomics assembly)를 이용한 전체 유전체의 지속적인 탐색을 통해서 얻은 결과는 자연에는 작은 유전체(예: 0.7~1.6 Mb)가 일반적이라는 것을 보여 준다. 그러나 자연 생태계는 유전체 크기를 해결하는 기술로 크게 시료가 채취되지 않은 상태로 남아 있기 때문에 최적화의 진정한 범위는 아직까지 알려지지 않았다.

숙주의 안정화 및 기능의 특성화(Stabilizing hosts and characterizing functions)

광범위한 결실 돌연변이 균주(deletion mutants)는 이미 대장균(Escherichia coli) 분자생물학 연구에서 보다 작아지고 점차적으로 안정되고 최적화된 유전체를 가져 오게 되었다. 매우 활성 상태인 삽입 서열(insertion sequences)을 함유하는 42개의 유전체 단편(genomic segments)이 결여된 E. coli MDS42의 렌티바이러스성(lentiviral) 발현능이 시험되었고, 스트레스 유도성(stress-inducible) 오류가 많은 DNA 중합효소를 제거함으로써 안정성을 증가시키도록 추가적으로 처리되었다. 다른 일련의 결실 돌연변이 균주는 생물막(biofilm) 형성 연구에 포함되었는데 전사체(transcriptome) 실험이 발달에 직접적으로 관여하는 유전자 발현 시스템을 밝혀냈다. 또한 세포 표면 구조의 합성에 관여하는 단백질을 암호화하는 유전자의 필수적이지 않은 역할을 명확히 하였는데, 그 중 일부는 성숙한 생물막 형성을 담당하는 것으로 여겨진다.

유전체 최적화를 위한 하향식 및 상향식 접근방식(Top-down and bottom-up approaches to genome streamlining)

하향식(top-down) 최적화 접근 방식은 현존하는 미생물의 유전체를 생명공학적 응용을 위하여 유연한 틀로 바꾸고 적응시키는 것을 목표로 한다. 근본적인 근거는 미생물 유전체에 자연적으로 암호화된 특성을 구축하는 동시에 특정 적정성 기준(specific fitness criterion)에 대해서 불필요한 유전적 특성을 제거하고, 또는 유전체 구조)의 일부분을 다시 재형성하는 것이다.

보다 근본적인 상향식(bottom-up) 접근법은 1차적인 원칙으로부터 세포를 만들려고 시도하는데, 자가 복제(self-replicating) 핵산 발판(nucleic acid scaffold), 에너지 생성 기계 및 캡슐화 구조의 합성을 수반하게 된다. 생명의 기원과 생물학적 구성 성분의 기능에 대한 이해가 중요하지만, 이러한 매혹적이고 단순한 원시세포(protocell) 시스템의 완전한 복잡성은 유전체 최적화의 응용에는 아직까지 너무 복잡하다. 보다 실용적인 상향식 접근법은 유전체와 세포 구성 성분을 재설계 및 (재)합성하고, 또한 생물학적 부분을 이미 존재하는 생물학적 시스템과 통합함으로써 안정되고 예측 가능한 틀을 생성하는 것을 목표로 한다. 잠재적인 최소 세포의 기능을 유지하는 데 필요한 빌딩 블록(building block) 및 상호작용에 대한 식견은 하향식 접근 방식에서 수집되어 통합된다. 바이러스와 박테리오파지의 합성 및 재조정은 상향식 유전체공학의 기초가 되었다.

생활사 전략(life history strategy)과 유전체 크기

최적화 이론(streamlining theory)의 가장 커다란 과제 중의 하나는 일부 원양 해양세균을 비롯한 많은 성공적이고 풍요로운 미생물이 작은 유전체를 가지고 있지 않다는 것을 설명하는 것이다. 이러한 역설에 대한 해결책은 작은 세포 크기와 유전체 단순화를 향한 진화가 본질적으로는 유일한 성공적인 전략이 아니라는 것을 이해하는 데 있다. 최적화의 기능으로서 유전체 축소의 한계는 적소(niche)에서 성공하기 위하여 충분한 기능적 복잡성을 유지할 필요성과 균형을 이루어야 한다. 따라서, 낮은 G+C 함량, 비암호화 뉴클레오타이드와 의사유전자(pseudogenes)의 낮은 백분율 등과 같은 최적화의 많은 유전체 서명(genomic signatures)은 유전체 크기의 범위를 가로질러서 관찰하는 것이 가능해야 한다. 이러한 모델이 맞는다면, 가장 작은 유전체(예: Prochlorococcus, Pelagibacterales 및 OM43)을 가지고 있는 독립생활(free-living) 생물체는 최소한의 기능적 복잡성을 요구하는 적소(niches)를 차지하게 된다. 그리고, 복제에 필요한 자원을 최소화하기 위한 선택 작용을 통해서 유전체 복잡성을 더욱 감소시킨다. 따라서 자원 경쟁 전략은 최적화 선택이 유전체 크기를 결정하는 것과 마찬가지로 중요할 수 있다.

세균에서 기능적 복잡성의 증가는 전형적으로 환경 변화에 대한 반응을 의미한다. 예를 들어, 대부분의 화학종속영양성(chemoheterotrophic) 미생물은 다양한 종류의 화합물 이화작용(catabolism)에 대해서 오페론(operons)을 작동시키거나 중지시키며, 또는 대사를 완전히 변화시킨다. 일반적으로, 유전체의 점점 더 많은 부분이 핵심 기능에 전념하기 때문에 규제에 전념하는 미생물 유전체의 비율은 크기에 따라서 감소하게 된다. 따라서 원칙적으로 작은 유전체는 상대적으로 변하지 않는 기본적인 적소(fundamental niches)를 차지하는 생물체에서 발견될 수 있다. 반대로 호기성과 혐기성 환경, 표면 부착과 생물학적 주기의 반복 사이를 전환하는 생물체는 대사 및 또는 생리학의 주요한 변화를 필요로 한다. 이러한 공정의 전체적인 규제는 일반적으로 시그마 인자(sigma factors, s-factors)에 의해서 암호화되어 있는데, 시그마 인자는 생활사의 복잡성을 대변한다. 

생물체의 생활사가 더욱 복잡할수록 그 유전체에 암호화되는 시그마 인자의 수가 더 많아진다고 가정하는 것이 합리적이다. 첫째, 최적화 생물체와는 달리, 세포내 기생충 및 공생체(symbionts)는 매우 적은 시그마 인자를 암호화하는 경향이 있는 반면에, 광범위한 비암호화 DNA를 유지하고 있다. 이것은 그림 1에 설명된 대체 유전체 축소 경로(alternate genome reduction pathways)에 따른 현저한 차이이다. 둘째로, 유전체 크기가 상대적으로 큰 경우에도 대부분의 분류군은 유전체 크기로부터 기대되는 것보다 훨씬 적은 시그마 인자와 비암호화 DNA 비율을 가지고 있는데, 따라서 최적화는 축소된 유전체와 동의어가 아님을 보여준다. 이러한 생물체는 이용 가능한 자원의 소화흡수(assimilation)를 위해서 복잡한 경로를 필요로 하는 적소일지라도 상대적으로 간단한 생활사를 가질 것으로 추정된다. 배양되지 않은 로도박터(Rhodobacteraceae)의 단일 증폭 유전체는 배양된 것보다 더 적은 시그마 인자를 포함하고 있는데, 이는 아마도 덜 역동적인 미생물 적소(dynamic microbial niche)에 적응한 것으로 추측된다⁹⁾.

최적화된 생활양식(Living streamlined)

대사적 복잡성, 생애주기의 복잡성 및 조절 사이의 일반적인 관계가 강조되고 있는데, 이는 유전체 크기 스펙트럼의 작은 말단에서 세포 활성이 간단하고 효율적임을 나타낸다¹⁾. 그러나 지금까지 연구된 각각의 최적화 생물체는 적소(niche)의 불필요한 기능에 의해서 강요받는 것처럼 보이는 특이한 특징을 가지고 있다.

비교유전체학(comparative genomics)을 이용하여 고온성 세균에서의 최적화를 연구한 결과, 세균과 고균(archaea)에서 최적 생육온도가 증가함에 따라서 유전체 크기가 감소한다는 명백한 증거가 보고되었다⁸⁾. 그들의 분석 결과는 유전적 부동(genetic drift, 遺傳的 浮動)이나 짧은 세포분열 시간을 위한 선택 모두가 극단적인 고온성 세균의 작은 유전체에 대한 강력하고 전반적인 경향을 설명하지 못한다는 것을 나타낸다. 대수층 미생물과 마찬가지로, 복제의 물질적 비용 즉, 세포분열에 필요한 질소와 인의 함량의 감소가 관찰된 추세를 설명한다는 결론을 뒷받침하는 증거는 없다¹²⁾. 최적화의 대사 영향이 조사되지 않았기 때문에, 고온성 세균 공동체에서 연계성이 증가되는 것을 의미하는 영양 요구량의 증가가 작은 유전체 크기의 추세를 설명할 수 있다는 것을 배제하지 않는다. 세포 크기가 작으면 에너지 코스트 유지가 낮기 때문에 고온성 세균에서 유전체 최소화의 구동력이 될 수 있다는 가설을 증명할 수는 없지만 선호되고 있다.

펠라기박터(Pelagibacter)는 최적화된 화학종속영양 생물체(streamlined chemoheterotrophic organism)의 가장 철저하게 탐구된 사례이며, 생물학적 시스템에서 주변 배경의 일부인 영양소 자원을 이용하기 위해서 간단하고 효율적인 대사 전략이 어떻게 진화할 수 있는지를 보여준다. 대조적으로, 상대적으로 커다란 미생물 유전체는 생물체가 자원을 찾는 주화성(chemotaxis)을 가능하게 하여, 주워 모은 영양소(patchy nutrients) 및 복합 다당류와 같은 표적 대사산물을 활용하기 위하여 전략을 바꿀 수 있는데, 여기에는 복잡한 효소 목록이 필요하게 된다. 

비정상적인 영양요구성(unusual nutrient requirements)과 도전적인(challenging) 미생물 배양

최적화의 가장 좋은 사례가 배양된 미생물에서 발견된다는 것은 반어적이다. 이러한 미생물은 전통적인 기술에 의한 배양에 저항하고 분자 데이터가 전적으로 중요하다는 것을 증명한 후에만 ​​특수한 방법으로 배양된다는 사실을 인식하는 것이 중요하다. 유전체 축소는 펠라기박터(Pelagibacter)의 비정상적인 성장 요구와 직접적으로 연관되어 있으며, 왜 이러한 세포가 배양에 도전적인지를 설명한다. 펠라기박터의 글리신 영양요구체(glycine auxotrophy) 이외에도 일반적인 동화작용의(assimilatory) 황산염 환원 경로가 결여되어 있기 때문에 환원된 황 화합물, 예를 들어 디메틸설포닉프로피온산염(dimethylsulfoniopropionate) 또는 메티오닌(methionine) 등을 필요로 한다. 최근에 펠라기박터가 피루빈산염(pyruvate) 또는 피루빈산염 전구체(pyruvate precursor)를 글리신(glycine)에 4: 1 비율로 요구한다는 사실이 밝혀졌다.

화학량론적인 영양성분 동반의존성(stoichiometric nutrient codependence)의 이러한 예외적인 사례는 불완전하게 이해되고 있지만, 중심 대사에서 경로의 고도로 불규칙한 배열의 결과인 것으로 보인다. 최적화된 세포가 본질적으로 일반적인 것처럼 보이기 때문에, 유전체 최적화로 인한 예기치 않은 성장 요구가 비배양적 현상의 상당 부분을 설명할 수 있다고 가정되었다¹⁾.

펠라기박터의 유전체 축소로 인한 영양 요구성의 새롭고 비정상적인 사례가 보고되었다¹⁾. 이들 세포에는 대부분의 티아민(thiamin) 생합성, 활용 및 수송 유전자가 없기 때문에 티아민(비타민 B1) 전구체인 4-아미노-5-하이드록시메틸-2-메틸피리미딘(4-amino-5-hydroxymethyl-2-methylpyrimidine, HMP)을 필요로 한다.

유전체 최적화 이론은 특정 원핵생물 유전체가 다른 원핵생물 및 모든 진핵생물과 비교하여 크기가 작아지는 경향이 있다고 기술하고 있는데, 이는 비암호화 DNA의 보유에 대항하는 선택 때문이다. 작은 유전체 크기의 이미 알려진 장점으로는 세포 분열에 대한 유전체 복제 속도가 훨씬 빨라지고, 영양요구성이 훨씬 적어지며, 여러 관련 유전자의 공동조절이 훨씬 용이해진다는 것 등을 들 수 있는데, 이는 유전체 크기가 작아질수록 전형적으로 유전자 밀도가 증가하기 때문이다. 이것은 보다 작은 유전체를 가지고 있는 생물체가 과도한 양의 불필요한 DNA에 의해서 방해받는 유전체보다 더 성공적이거나 더 높은 합목적성(fitness)을 가질 수 있다는 것을 의미한다⁶⁾. 

유전체 최적화의 근간으로 여겨지는 일부 기작에는 결실 편견(deletion bias)과 정화 선택(purifying selection)이 포함된다. 결실 편견은 DNA 손실율이 DNA 획득율보다 자연적으로 높은 세균 유전체의 현상이다. 정화 선택은 외래 유전자를 선택하여 효과적으로 그들의 유전체 크기를 줄임으로써 이러한 유전물질이 결여된 생물체를 더욱 성공적으로 만들게 된다⁶⁾. 생물체의 생존에 덜 중요한 유전자 및 비암호화 DNA 단편은 시간이 지남에 따라서 소실될 가능성이 높아지게 된다.

이러한 선택적인 압력은 거대한 해양성 원핵생물 개체군에서 더욱 강하게 나타나는데, 이는 종간의 경쟁이 빠르고, 효율적이며, 저렴한 복제를 선호하기 때문이다. 이것은 거대한 개체군 크기가 동일한 종의 구성원들 사이에서 경쟁을 증가시키고, 따라서 선택 압력을 증가시키고, 세균처럼 거대한 개체군 크기의 생물체 사이에서 유전체 크기의 감소가 더 쉽게 일어나기 때문이다⁶⁾.

작은 세포, 작은 유전체 또는 자가 복제 특성을 지닌 최소한의 화학 반응이든간에 단순함은 매력적인 것이다. 단순성에 대한 2가지 다른 견해는 공생(symbiosis) 효과를 나타내는 공생균(commensal bacteria)과 세계적으로 분포되어 있는 작은 유전체를 가진 독립생활의 세균으로 인해서 나타났다. 최적화 이론(streamlining theory)은 작은 세포와 유전체는 유효집단의 크기(small effective population sizes, Ne)가 크고 영양소가 성장을 제한하는 집단에서 영양소를 효율적으로 사용하기 위해서 선택하기 때문이라고 간주한다. 유전체 축소의 원인에 관계없이 코딩 잠재력(coding potential)을 상실하면 결국에는 기능의 상실을 초래하게 된다. 최적화된 생물체에서 축소적인 진화의 결과는 원시영양체(prototrophy)의 비정형적인 양상과 일반적인 조절 시스템의 부재를 포함하며, 결국에는 이러한 세포의 배양이 어려워지게 된다. 군유전체학(metagenomics)에 의한 최근의 증거는 최적화가 일상적이며, 미배양된 대다수 미생물의 현상을 광범위하게 설명할 수 있으며, 많은 미생물 생태계의 상호 의존성이 높은 행동을 설명할 수도 있음을 암시한다. 최적화 이론은 대부분의 성공적인 세균이 복잡한 유전체를 가진 거대 세포라는 관찰에 의해서 신뢰를 받고 있다. 최적화를 완전히 이해하려면 세포의 생활사와 적응 전략을 조망해야 하는데, 이는 적소(niche)에 따라서 달라지는 복잡성에 대한 최소한의 요구 사항을 부과하기 때문이다.

최적화(streamlining)는 미생물 생태 이론에 있어서 매우 새롭고 중요한 현상이다. 이러한 이론의 파급 결과 및 세분화는 광범위한 환경에서 발견되는 소형 유전체를 설명하고자 하는 미생물 생태학자에 의해서 연구되고 있다. 최적화와 관련된 복잡한 원시영양성(prototrophy) 패턴은 일부 미생물 공동체가 안정성에 영향을 미치는 높은 수준의 영양학적 연관성을 진화시켰음을 의미한다. 이 같은 현상은 또한 미배양 미생물 대다수의 우세를 설명할 수 있는 힘을 가지고 있다. 따라서, 미배양된 미생물 다양성이 최적화된 유전체를 가지고 있기 때문에 배양이 어려운 분류군에 불균형하게 분포되어 있다는 가설이 세워졌다. 매우 잘 연구된 최적화 사례 중의 하나인 펠라기박터(Pelagibacter)는 상황 의존적인 영양성분 요구성을 말하는 조건적인 원시영양성(conditional prototrophy) 및 영양성분의 특정 비율 요구성 등을 포함하여 예기치 못한 형태의 원시영양체(prototrophy)로 귀결되는 비표준적인 대사의 재배치에 대한 식견을 제공한다. 새로운 유전자 기능의 발견과 함께 유전자를 대사경로로 대체하여 배열하는 것이 발견되므로서 유전체 및 메타게노믹스 데이터(genomic and metagenomics data)로부터 대사 기능을 해석하기 위해서 소급하여 적용할 때 광범위한 영향을 미칠 수 있게 되었다.

최적화 이론에 대한 강력한 흥미에도 불구하고, 의외의 배양 요구성, 환경 또는 미지의 대사와의 연관성 등의 모든 사례가 최적화 선택에 기인한다고 생각되지 않는다는 것은 확실하다. 또한 고영양세균(copiotroph)과 빈영양세균(oligotrophy)와 같은 개념은 자체적으로는 대사적 다양성을 분류하기에 충분하지 않기 때문에, 따라서 다음과 같은 것이 필요하다. • 바이오매스(biomass), 수송 동력학(transport kinetics) 및 대사 효율과 같은 세포의 기본 성질을 유전체 특성과 더 밀접하게 연결시키는 연구 • 환경적으로 중요한 품종을 특정 자원의 성공적인 이용에 연결시키는 적응 전략에 대한 더 나은 이해. 환경 이론을 설명하기 위해서 만들어진 계통생물학(systems biology)은 상대적으로 잘 연구되어 있지 않지만 이러한 문제를 해결하는데 있어서 유망한 것으로 보인다. 이것은 한때 모델 생물체에만 적용된 접근법이었지만 오늘날에는 광범위한 범위의 개념적 매력을 가지고 있다.

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정후길/가천대학교

나도균/중앙대학교