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인간의 호흡법은 바다 화산의 극한 미생물에서 유래했다?

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2018년 05월 11일 00:00 프린트하기

작은 원핵세포에서 탄생한 생명은 인간을 포함한 다양한 동물로 진화 과정을 거쳤다. 최초의 생명체와 그들이 살았던 곳은 어디일까?

 

해저 화산 주변의 뜨거운 구덩이(이하 열수구)와 그 곳에서 생활한 극한미생물은 가장 유력한 후보다. 생명 탄생 시점으로 추정되는 약 38억년 전 지구에는 고등 생물의 활동에 필수적인 산소가 대기가 바다에 없었다. 이 때문에 학계에선 무산소 호흡을 하거나 질소나 황 등을 에너지원으로 쓰는 미생물들이 먼저 탄생했을 것으로 의견을 모은다.

 

현재도 이와 같은 환경이 유지되는 해저 열수구에 처음 출현했던 생명체의 흔적이나 후손이 남아 있는 것이 확인됐으며, 이후 산소가 풍부해진 바다에서 호흡해 살 수 있는 미생물도 여기서 진화했을것으로 추정하고 있다.

 

인간의 호흡 역시 해저 화산 근처에 살던 고대 미생물에서 유래했음을 암시하는 연구 결과가 나왔다. 

 

사진 GIB 제공
사진 GIB 제공

미국 반안델연구소(VARI)와 조지아대 등 공동 연구팀은 에너지 생산에 관여하는 고대 극한미생물의 단백질 복합체를 원자 크기(10-9m) 수준 해상도로 이미지화한 결과, 그 구조가 인간과 매우 유사함을 확인했다고 10일 학술지 ‘셀’에 발표했다.

 

 

고대 극한미생물인 -Van Andel Research Institute 제공
고대 극한미생물인 파이로코쿠스 퓨리오소스의 세포막에서 호흡에 쓰이는 단백질 복합체의 분자구조-Van Andel Research Institute 제공

수 십억 년 동안 해저 열수구에 살고 있는 고대 미생물 파이로코쿠스 퓨리오소스(Pyrococcus furiosus)의 분자 구조와 역할 등을 연구한 결과다. 극한생명체의 호흡 분자들의 구조를 20년간 연구한 조지아대 생명과학과 미첼 아담 교수는 “고대 극한 생명체인 파이로코쿠스의 호흡법에 쓰인 단백질 복합체의 분자구조를 확실히 본 것”이라고 설명했다.

 

연구팀은 극저온전자현미경(cryo-EM)을 이용해 사람 머리카락 지름의 1만 분의 1 수준의 해상도로 촬영했다. 극저온전자현미경은 수용액에 담긴 생화학 분자를 영하 200도 이하의 극저온 상태로 급냉각시켜 정밀 관찰하는 방식의 전자현미경이다. 실제 생명 환경에서 자연스럽게 움직이는 단백질, 바이러스 등 생체 분자의 ‘스냅샷’을 얻을 수 있다.

 

최초의 생명체라할수 있는 극한미생물이 호흡할 때 작용하는 단백질 복합체의 분자구조가 밝혀지면서 이를 바탕으로한 생명체의 에너지 생산체계 진화 과정 연구도 활발해질 전망이다.

 

생물학에서 호흡은 세포 내 생명 활동에 필요한 화학에너지 생산과정과 직결된다. 생물이 필요로 하는 화학에너지가 만들어질 때 전자가 세포막의 여러 단백질을 지나가는데, 산소호흡을 하는 고등생물은 호흡을 통해 얻은 산소가 전자전달 과정의 마지막 단계에서 전자를 수용하며 화학에너지 아데노신3인산을 생성하기 때문이다. 아담 교수는 “인간의 것과 유사한 이 복합체가 어떻게 진화했으며, 기능을 발전시켰는지 비교 연구를 통해 진화 과정을 밝혀갈 것”이라고 말했다.

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