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국내 연구진 원핵생물-진핵생물 진화 비밀 규명

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2018년 11월 11일 14:55 프린트하기

세포소기관인 미토콘드리아(가운데)의 전자현미경 사진. 다트머스대 제공.
세포소기관인 미토콘드리아(가운데)의 전자현미경 사진. 다트머스대 제공.

생물은 크게 두 종류로 나뉜다. 원핵생물과 진핵생물이다. 원핵생물은 박테리아 등의 미생물이 대부분이며 진핵생물은 효모부터 시작해 식물, 사람 등 대다수의 다세포 생물이 포함된다. 이 두 생물은 생명현상의 기본인 ‘단백질을 합성하는 방식’부터 차이가 난다. 진핵생물은 ‘메티오닌’이라는 이름의 아미노산을 만들어 단백질을 조립해 나가지만 원핵생물은 메티오닌의 변형체인 ‘포밀메티오닌’을 생성해 단백질을 만든다. 다만 진핵생물의 세포 속 소기관인 ‘미토콘드리아’는 마치 원핵생물처럼 포밀메티오닌을 통해 단백질을 만든다.


국내 연구진이 이 두 생물의 단백질 생성과정을 과학적으로 분석하는데 성공했다. 포스텍(포항공대) 생명과학과 황철상 교수팀, 한국과학기술연구원(KIST) 이철주 책임연구원팀이 장기간의 실험과 관찰 결과 미토콘드리아가 포밀메티오닌 형태로 단백질을 생성하는 것은 에너지 절약을 위해 원핵생물을 흉내 내면서 생겨난 형태라고 결론짓고, 이 연구결과를 과학저널 ‘사이언스’ 8일(현지 시간)자를 통해 밝혔다. 미토콘드리아는 원핵생물이 진핵생물에 기생하다가 같은 생물로 합쳐진 ‘공진화(共進化)’의 결과였다는 기존 학계의 주류학설과 일부 상반되는 결과여서 과학계의 논란이 될 것으로 보인다.


연구진은 미토콘드리아가 포밀메티오닌을 생성하며 단백질을 합성하는 과정에 관여하는 세포 속 ‘포밀메티오닐-트랜스퍼라제(효소)’라는 물질에 주목했다. 이 효소는 세포질에서 합성된 직후 미토콘드리아로 이동해 단백질을 만들도록 유도한다. 황 교수팀은 이 과정이 생물학적으로 어떤 의미를 갖는지 밝히기 위해 다양한 생화학적, 분자생물학적 실험기법을 동원해 검증했다. 이런 실험은 가장 구조가 단순하고 유전자 조작을 통해 원하는 형질을 만들기도 쉬운 효모를 이용해 진행됐다. 주변 환경을 바꾸어주며 효모가 어떻게 단백질을 생성하는지 5년간끊임없이 관찰했다.

 

이 결과 연구진은 ‘장기적인 저온(추위)나 영양분 고갈(기아) 등의 상태에선 효소가 미토콘드리아로 이동하지 않고, 세포질에 남아 포밀메티오닌부터 단백질을 합성한다는 사실을 밝혀냈다. 미토콘드리아 이외의 진핵생물도 원핵생물처럼 ’포밀메티오닌‘을 생성하는 경우를 발견한 것이다.


연구진은 이 효소가 단백질의 수명을 결정짓는 분해에도 관여한다는 새로운 사실도 발견했으며, 진핵생물의 세포질에서 생성된 포밀메티오닌 단백질을 인식해서 제거하는 새로운 단백질 분해경로 역시 찾아냈다. 


연구진은 이 과정이 진핵생물이 원핵생물의 단백질 합성법을 그대로 흉내내 환경에 적응하고 있는 것으로 봤다. 생물체가 스트레스 환경에 적응하고 저항성을 높이는 과정을 발견해 낸 것으로 생물학 적으로 중요한 의미를 가진다고 연구진은 밝혔다. 

 

황 교수는 “지금까지 미스터리로 남아있던 포밀메티오닌의 숨겨진 생명현상을 최초로 밝혀낸 것으로 생명과학분야의 새로운 연구분야를 개척했다고 평가할 수 있다”고 연구의 의의를 소개했다.

 

 

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