미토콘드리아와 유사한 공생체로부터 질산염호흡으로 에너지를 얻는 미생물이 발견

by Max Planck Institute for Marine Microbiology, S. Ahmerkamp

지금까지 진핵세포에 에너지를 공급하는 미토콘드리아뿐이라고 생각되어 왔지만, 막스플랑크 해양미생물연구소 등의 연구를 통해 미토콘드리아와 다른 공생 박테리아도 에너지를 공급할 수 있다는 사실이, '질산염호흡'을 하는 공생체에 의해 에너지를 얻는 섬모충의 발견에서 알게 되었습니다.

Anaerobic endosymbiont generates energy for ciliate host by denitrification | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03297-6

New form of symbiosis discovered
https://www.mpi-bremen.de/en/New-form-of-symbiosis-discovered.html

Strange microbe “breathes” nitrates using a mitochondria-like symbiont | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2021/03/nitrate-breathing-microorganism-offers-glimpse-into-evolutions-past/

Strange microbe “breathes” nitrates using a mitochondria-like symbiont

막스플랑크 게놈센터의 생물학자 Jana Milucka 교수는 2016년에 스위스 추크호수의 수심 약 190m에서 샘플을 채취했습니다. 추크호수가 선택된 이유는, 상단에 산소가 포함된 레이어가 있는 반면 베이스 부근은 산소를 포함하지 않는 층이 층상구조로 되어 있어, 바닥에 서식하는 생물은 산소가 없어도 살아갈 수 있도록 진화했을 것이라고 추정했기 때문입니다.

Author :Tschubby. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Reliefkarte_Zug_blank.png#mw-jump-to-license

Photographer:Robysan. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Aussicht_Winter_Rigi_Zugersee.jpg#mw-jump-to-license

채취한 샘플에서 얻은 모든 생물의 DNA의 염기서열을 조사한 Milucka 교수는 그 중에서 질산염호흡의 완전한 대사경로를 가진 세균(박테리아)의 게놈을 발견했습니다. 이 게놈은 곤충의 체내에 서식하는 공생 미생물의 것과 비슷했다는 것. 그러나 호수의 바닥에 곤충이 서식하고 있다고 보기는 어려워 현시점에는 게놈의 이해가 이루어지지 않았습니다.

따라서 공생 후보를 찾기 시작했던 Milucka 교수는 신종 코로나바이러스 감염에 의한 봉쇄와 국경 폐쇄가 이루어지기 직전인 2020년 2월 재차 추크호수에서 샘플을 채취했습니다.

그리고 'Candidatus Azoamicus ciliaticola'라 이름 붙인 박테리아가 Plagiopylea라는 섬모충의 일종에 질산염호흡으로 에너지를 공급하며 공생하고 있다는 것을 발견했습니다. Plagiopylea와 Candidatus Azoamicus ciliaticola의 공생은 2~ 3억 년 전부터 이루어진 것으로 생각합니다.

이러한 '진핵생물과 박테리아의 공생'은 드문 일이 아니지만, 박테리아가 숙주인 진핵생물과 함께 진화한 결과로 인해 공생해 나갈 수밖에 없게 되었다는 사례는 드물고, 또한 박테리아가 숙주에게 생체의 에너지 통화인 아데노신3인산(ATP)을 공급하는 사례도 드물다고 합니다.

이번 발견은 미토콘드리아의 파생기관을 가진 진핵생물이 이차적으로 에너지를 공급하는 내부공생체를 획득하여 미토콘드리아의 기능을 보완 · 대체할 가능성을 시사하는 것이라고 합니다.