내부공생

내부공생은 서로 다른 성질을 가지는 원핵생물(prokaryote)들이 생존을 위해 공존하다가 진핵생물로 진화하게 되었다는 가설로 진핵세포 내 미토콘드리아(mitochondria)와 엽록체(chloroplast)가 원래는 독자적인 원핵세포였지만, 숙주세포 안으로 들어와 공생하며 진화되었다는 가설이다. 원시 진핵세포(eukaryotic cell)의 출현을 가장 잘 설명하는 가설로 알려져 있다.

목차

내부공생설(endosymbiotic theory)은 서로 다른 성질을 가지는 원핵생물이 생존을 위해 공존하다가 진핵생물(eukaryotes)로 진화하게 되었다는 가설이다. 미국의 이론 생물학자이자 당시 보스턴 대학의 교수였던 린 마굴리스(Lynn Margulis)가 처음 주장하였고 진핵생물에 핵 외에 미토콘드리아와 엽록체(chloroplast)에 DNA가 존재한다는 사실을 밝혀 1967년 ‘세포 분열의 기원(On the origin of mitosing cells)’ 이라는 논문을 발표하였다. 린 마굴리스는 이 논문에서 진핵세포 내부에 있는 미토콘드리아와 엽록체가 원래는 독자적인 원핵세포였지만, 어떤 이유인지 다른 세포 안으로 들어와서 살고 있다는 가설을 발표하였다. 이것이 내부공생설(endosymbiotic theory)이고 진핵세포의 탄생을 설명하고 있는 가장 잘 알려진 가설이다.

이 가설에 따르면 미토콘드리아와 엽록체 등은 자체 DNA를 가지며 필요한 효소 일부를 자가 합성할 수 있으므로 다른 대부분의 세포소기관과는 달리 핵의 지배를 받지 않고 독자적으로 행동할 수 있다. 미토콘드리아는 세균인 프로테오박테리아(proteobacteria) 혹은 세균이 아닌 리케차(rickettsia)에서 유래하였고, 엽록체는 호기성 광합성 세균인 시아노박테리아(cyanobacteria)에서 유래하였을 것으로 추정된다. 미토콘드리아는 리보솜(ribosome)과 DNA를 가지고 있고 스스로 분열할 수 있기 때문에 독립적인 생활을 하던 원핵생물이 숙주세포로 들어와 세포 내 공생으로 유래했다고 여겨진다. 그러나, 구체적인 기원에 대해서는 아직도 여러 개의 다른 의견들이 있다. 원형 DNA를 가지는 미토콘드리아는 여러 유전정보를 담고 있어 원시세균 중 특수하게 분화된 것이 원시 미토콘드리아로 되었다는 가설도 있고, 리케차(rickettsia)와 연관되어 있을 것이라는 가설이 있지만 숙주세포 안에서 같이 살면서 유래했다 점에서는 공통점이 있다. 몰론 세포 내 공생(symbiosis)에 대해서도 기생(parasitism)에 의한 것이라는 주장도 있지만 숙주의 내포작용에 의한 것이라는 의견이 지배적이다. 미토콘드리아의 숙주세포 내 공생으로 숙주세포는 세포호흡을 할 수 있어 같이 공급받는 영양분을 효율적으로 사용할 수 있게 되었고 미토콘드리아 측면에서는 생존을 보장받고 숙주세포의 양분을 공급받을 수 있어 상호간의 상승작용으로 생존할 수 있는 영역이 확장되었을 가능성을 추측할 수 있다. 미토콘드리아 뿐만 아니라 엽록체도 숙주세포 내 공생으로 유사한 상승작용이 일어난 것으로 추측된다. 현재에도 세균의 공생은 비교적 원시 환경으로 예상되는 화산이나 온천, 열대 해역 등에서 일부 관찰된다. 화산 지역 내 대기와 가까운 층에는 호기성광합성세균이 혐기성세균이 공기에 노출되는 것을 막아 주며 대기와 먼 아래 층에는 혐기성화학합성세균이 층을 이루어 호기성세균에게 유해한 물질을 차단하는 공생 관계를 형성하고 있다.

그림 1. 내부공생의 모식도 (제작: 남인현/한국지질자원연구원)

핵막과 막으로 구성된 세포 소기관을 갖는 진핵생물의 출현은 호기성 세균과 남조류가 숙주세포 안으로 들어와 공생, 분업화하여 나타났다. 따라서, 미토콘드리아와 엽록체는 독자적인 DNA를 가진다.

그림 2. 막 함입(진화)설의 모식도 (제작: 남인현/한국지질자원연구원)

원핵세포의 세포막 일부가 함입되어 핵막과 소포체(endoplasmic reticulum)를 형성하고 세포 안에 흩어져 있던 DNA는 핵 속으로 들어가 원시 진핵세포가 형성되었다.

원핵생물(prokaryote), 미토콘드리아(mitochondria), 진핵세포(eukaryotic cell), 진핵생물(eukaryotes), 엽록체(Chloroplast), 프로테오박테리아 문(phylum Proteobacteria), 리케차(Rickettsia), 시아노박테리아 문(phylum Cyanobacteria), 리보솜(ribosome), 공생(symbiosis), 기생(parasitism), 세포내섭취작용(Endocytosis), 소포체(Endoplasmic reticulum)

남인현/한국지질자원연구원

나도균/중앙대학교