흰개미가 나무를 게걸스럽게 먹어 치울 때, 한 입 먹을 때 흰개미의 내장에 살고 있는 특이한 미생물군을 먹여 살린다. 그리고 이 과정에 연관되는 복잡한 여러 단계에서 이들 미생물은 단단하고 섬유질의 물질을 흰개미 숙주에게 영양분이 풍부한 먹이로 전환시킨다. 한 가지 주요한 단계는 수소를 이용해서 이산화탄소를 유기탄소로 전환시킨다(이것을 산생성(acetogenesis)으로 불린다). 하지만 어떤 박테리아가 장내에서 이 과정에서 특정한 역할을 하는지에 대해서는 알려진 것이 거의 없었다. 다양한 실험기술을 활용하여 캘리포니아 공과대학 (Caltech)의 연구자들은 이전에는 밝혀지지 않았던 박테리아를 발견했으며 이들 박테리아는 흰개미의 좀 더 큰 미생물의 표면에 살고 있으며 대부분 장내 산생성을 만들어낸다.

이번 연구를 수행한 실험실이 소속된 캘리포니아 공과대학의 환경미생물학 교수인 제어드 리드베터 (Jared Leadbetter)는 “흰개미의 장내에서 수 백 가지의 각기 다른 종의 미생물이 1밀리미터 안에서 함께 살고 있다. 우리는 특정한 미생물이 장내에 나타난다는 사실을 알고 있으며 미생물은 특정한 기능에 연관된 미생물을 알고 있다. 하지만 지금까지 어떤 미생물이 어떤 기능을 하는지에 대해서 알 수 있는 방법이 없었다”고 말했다. 그는 또한 학술지 <Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS>지에 발표된 논문의 저자이기도 하다.

산생성은 나무가 썩으면서 원생동물의 장내에서 생성되는 이산화탄소와 수소에서 아세트산염이 생산되는 것이다 (이 아세트산염은 흰개미의 영양분의 원천이다). “어떤 미생물이 무슨 일을 어디에서 하는가”에 대한 연구에 대해서 리드베터의 연구팀은 전체 흰개미 미생물군을 조사하여 산생성을 일으키는 미생물의 특정한 유전자를 확인했다. 연구자들은 미생물의 RNA를 통해서 조사함으로써 시작했다. 이러한 유전자 정보는 특정한 시간에 활성화되는 유전자의 단편을 볼 수 있도록 한다. 흰개미 장내 미생물 전체군집에서 RNA를 이용하여 연구자들은 활동적으로 전사된 포름산탈수소효소 (formate dehydrogenase, FDH) 유전자를 조사했다. 이 포름산탈수소효소는 산생성에 필수적인 단백질을 부호화하는 것으로 알려졌다. 그 다음에 복합미세유체 디지털 중합효소연쇄반응 (디지털 RPC)이라고 불리는 방법을 사용하여 연구자들은 이전에는 연구되지 않았던 개별 미생물을 미세한 구획으로 분리하여 각각 FDH유전자를 갖고 있는 실제 미생물 종을 찾아냈다. FDH 유전자의 일부는 이전에 산생성의 원천으로 예측되어온 형태의 박테리아인 스피로헤타 (spirochetes)를 발견했다. 하지만 이들 스피로헤타 하나만 가지고 흰개미의 장내의 아세트산염을 모두 생산하는 것인지는 확인할 수 없었다.

처음에 캘리포니아 공과대학의 연구자들은 장내에서 가장 활동적인 FDH 유전자를 발현하는 미생물을 찾을 수 없었다. 하지만 이번 연구의 제1저자인 캘리포니아 공과대학의 생물학 박사후 연구원인 아담 로젠탈 (Adam Rosenthal)과 시니 장 (Xinning Zhang)은 이들 유전자는 장내에서의 비율이 훨씬 풍부하고 나무조각과 좀 더 큰 원생생물에서 추출될 수 있다는 것을 발견했다. 좀 더 큰 부분의 장내 추출물을 분석한 후에 이들은 가장 활동적인 FDH 유전자는 이전에는 연구되지 않았던 델타프로테오박테리아 (deltaproteobacteria)라고 알려진 미생물군에 의해서 부호화된다는 것을 발견했다. 이것은 처음으로 상당량의 아세트산염이 장내에서 비-스피로헤타에 의해서 생산되었다는 증거이다. 델타프로테오박테리아의 유전자가 흰개미의 미립자물질 덩어리에서 발견되었기 때문에 연구자들은 새롭게 발견된 미생물은 이들 덩어리의 표면에 붙어 있을 것이라고 생각했다. 이러한 가설을 조사하기 위해서 연구자들은 색상-부호 시각화 방법인 혼성화연쇄반응-형광동조혼합법 (hybridization chain reaction-fluorescent in situ hybridization, HCR-FISH)이라고 불리는 방법을 사용했다.

이 기술은 이번 연구의 공동저자이며 캘리포니아 공과대학의 응용 및 컴퓨터 수학과 생명공학교수인 나일스 피어스 (Niles Pierce)의 실험실에서 개발된 것으로, 연구자들을 활성화된 FDH 유전자와 각기 다른 형광색으로 동시에 나타나는 델타프로테오박테리아를 찾아낼 수 있는 유전자가 발현되는 세포를 동시에 그릴 수 있도록 했다. 리드베터는 “미세유체 실험을 통해서 두 가지 색깔은 동일한 장소에서 동일한 미세세포에서 발현되어야 한다”고 말했다. 사실 이들은 그렇게 발현되었다. 그는 “이러한 접근법을 통해서 우리는 실제로 새로운 델타프로테오박테리아가 살고 있는지를 알 수 있었다. 이 세포는 매우 특정한 수소를 생산하는 원생동물의 표면에 살고 있었다”고 말했다.

두 가지 생물종 사이의 연관성은 흰개미 장내의 복잡한 먹이 연결망에 대해 알려진 것에 의거해서 이해할 수 있다고 리드베터는 말했다. 그는 “원생동물인 큰 진핵단세포 동물은 나무가 썩는 것처럼 수소를 만든다. 그리고 훨씬 적은 수소를 소비하는 델타프로테오박테리아가 그 표면에 붙어있다. 그래서 이 새로운 아세트산 박테리아는 수소의 발생원천에 달라붙게 된다”고 말했다. 이것은 매우 긴밀한 관계라고 리드베터는 말했다. 이 관계는 특정한 조직의 기능에 일치하는 표준적인 방법인 계통발생적 추론에 의거해서 발견되지 않았을 것이다. 그는 “계통발생적 추론을 이용해서 이 가설적인 조직의 관계에 대해서 많은 것을 알 수 있게 되었다고 말한다. 그래서 조직을 보지 않은 채 우리는 누구와 연관되었는가를 추론하게 된다. 하지만 이번 연구에 사용된 기술을 이용해서 우리의 초기 예측이 잘못되었음을 알게 되었다. 중요한 것은 우리가 신비한 생물체의 위치와 이에 연관되는 특정한 조직을 알아낼 수 있었다. 이 두 가지 중에서 어떤 것이 나타나는가는 수소 소비와 수소를 곤충이 사용할 수 있도록 산물로 전환하도록 하는데 극히 중요하다”고 말했다. 이러한 연구결과는 흰개미 장내에서 산생성의 새로운 원천을 발견했을 뿐 아니라 계통발생론적 연관성에 기반한 예측의 한계를 알려주고 있다.

원문참조: Z. Rosenthal, X. Zhang, K. S. Lucey, E. A. Ottesen, V. Trivedi, H. M. T. Choi, N. A. Pierce, J. R. Leadbetter. Localizing transcripts to single cells suggests an important role of uncultured deltaproteobacteria in the termite gut hydrogen economy. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; DOI: 10.1073/pnas.1307876110

 

출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-10-02