0.2㎛ 크기의 매우 작은 단세포 미생물이 바로 그 주인공인데, 이보다 작은 생명체는 지구상에서 바이러스뿐이다. 생물학자들 사이에서 단순히 ‘괴짜 세균’ 정도로만 인식되던 그 생명체에게 1977년 미국의 미생물학자 칼 우즈는 ‘고세균’이란 이름을 붙여줬다. 고대의 원시지구와 같은 환경에서 사는 세균이라는 의미였다.
그와 동시에 칼 우즈는 기존의 박테리아(세균)를 진정세균과 고세균으로 나눠야 한다고 주장했다. 진정세균이란 ‘진짜 세균’이란 뜻이다. 스탠퍼드대 미생물학자 저스틴 조넨버그는 칼 우즈의 그 같은 주장에 대해 생물학 전 분야에서 DNA 이중나선을 발견한 왓슨과 크릭이나 진화론을 제안한 다윈의 업적에 맞먹는다고 평가했다.
극단적 환경에 서식하는 고세균이 생명 탄생의 수수께끼를 풀어줄지에 대해 관심이 모아지고 있다. 사진은 호염성 고세균의 일종. ⓒ위키피디아 Public Domain
칼 우즈가 그 같은 주장을 한 것은 리보솜 RNA 염기서열을 분석해 비교한 결과, 전혀 예상치 못한 결과가 나왔기 때문이다. 원핵생물과 진핵생물로 분류되는 기존의 이분법과는 달리 고세균은 그 어느 쪽에도 속하지 않는 특별한 차이점을 지니고 있었던 것.
원핵생물은 원핵이라고 불리는 원시적인 세포핵을 가지는 생물로서 대부분 단세포로 되어 있으며 원핵균류와 남조식물 등이 이에 해당한다. 핵산(DNA)이 막으로 둘러싸이지 않고 분자 상태로 세포질 내에 존재하며, 미토콘드리아 등의 구조체가 없는 것이 원핵생물의 특징이다.
이에 비해 진핵생물은 미토콘드리아나 엽록체 등과 같은 소기관을 보유하고 있는 것이 특징이다. 또한 막으로 둘러싸인 핵 속에 DNA를 보유하고 있으며, 세포질 속에는 막으로 둘러싸인 골지체나 리소좀 같은 기타 구조물도 들어 있다.
즉 원핵생물이 하나의 공장이라면 진핵생물은 그 같은 공장들이 엄청나게 많이 모여 있는 대단위 공단인 셈이다. 동물, 식물, 진균 같은 다세포생물의 조상이 탄생된 것은 바로 진핵생물 덕분이다.
그린란드의 심해저에서 발견돼 고세균 ‘로키’
자신의 주장이 점차 정설로 받아들여지자 1990년 칼 우즈는 ‘역(Domain)’이라는 새로운 분류단계를 도입해 지구상의 모든 생명체를 진정세균과 고세균, 진핵생물의 3역으로 나누는 새로운 분류체계를 제시했다.
그것은 파격적인 주장이었다. 당시 170여 종밖에 발견되지 않았던 고세균을 1만여 종인 세균 및 3000만 종이 넘는 진핵생물과 대등한 위치에 두었기 때문이다. 그 계통수에서 칼 우즈는 핵이 없다는 점만 빼면 고세균은 원핵생물(진정세균)보다 오히려 진핵생물에 가깝다고 밝혔다.
하지만 칼 우즈가 제시한 3역 사이의 족보는 아직까지 확실히 정리되지 못하고 있다. 원핵생물에서 진핵생물이 갈려져 나온 후 고세균이 출현했다는 가설을 주장하는 과학자들이 있는 반면, 고세균이 먼저 출현한 다음 거기서부터 진핵생물이 진화했다는 가설이 팽팽해 맞서고 있는 상황이다.
그런데 최근 이 두 가지 가설 중 후자의 손을 들어주는 고세균이 발견됐다. 스웨덴 웁살라대학교의 티스 에테마 교수팀이 그린란드와 노르웨이 사이에 있는 수심 3000미터의 해저에서 채취한 ‘로키’라는 별명의 고세균이 바로 그것. 로키는 지금까지 발견됐던 것 중에서 진핵생물에 가장 가까운 고세균임이 밝혀졌다.
로키는 로키캐슬이라는 해저 화산 열수구 근처에 채취돼 이 같은 별명이 붙었다. 유전체 분석 결과 로키는 다른 고세균에서 발견되는 변종보다 진핵생물의 액틴 단백질과 유사한 유전자를 보유하고 있는 것으로 나타났다. 액틴 단백질은 세포 골격의 형성을 도와 세포를 지지해주고 운동을 가능하게 해준다.
또한 로키는 진정세균이나 다른 고세균과 달리 저분자량 효소 ‘GTPase’의 유전자가 무려 60~70개나 있는 것으로 밝혀졌다. 이 효소는 세포 골격 형성에서부터 소포체를 이용한 물질수송에 이르기까지 다양한 기능을 수행한다. 그밖에도 로키는 다른 원핵생물과는 달리 진핵생물의 막을 구부리거나 자르는 데 관여하는 단백질 복합체 유전자를 여러 개 보유한 것으로 나타났다.
칼 우즈의 3역 분류체계 뒤집는 증거
그런데 로키의 등장은 칼 우즈의 3역 분류체계를 송두리째 흔드는 것이라서 더욱 주목을 끌고 있다. 3역설의 계통수에 의하면 원생생물에서 고세균 및 진핵생물의 공통조상이 갈라진 후 그 공통조상에서 다시 고세균과 진핵생물이 갈라진 것으로 되어 있다.
하지만 로키의 분석 결과에 의하면 원핵생물과 고세균이 갈라진 후 고세균이 여러 집단으로 나뉘어 진화하던 중 어떤 한 집단에서 진핵생물이 등장한 것이 되는 셈. 이는 널리 인정받고 있는 칼 우즈의 3역 분류법이 앞으로 수정될 수도 있다는 사실을 의미한다.
지금으로부터 약 20억 년 전에 일어난 진핵생물의 탄생은 생명의 역사에서 가장 중요하고도 불가사의한 사건으로 취급받고 있다. 지능이나 의식 같은 고등 생물의 특성은 원핵생물의 개념에서는 결코 나타날 수 없으며, 진핵생물만의 독특한 특성이기 때문이다. 그러나 복잡성을 매개하는 초기 진핵생물은 아직 발견되지 않아 어떻게 이들이 진화했는지는 아무도 모르고 있다.
로키는 단번에 과학자들 사이에서 진핵생물과 원핵생물 간의 갭을 메워줄 수 있는 열쇠로 떠올랐다. 그러나 로키가 이 같은 열쇠로 사용되기 위해선 풀어야 할 숙제가 있다. 로키는 심해저에서 채취한 약 10그램의 흙 속에서 검출된 몇 나노그램의 DNA 부스러기를 메타유전체학이라는 기법을 이용해 그 조각들을 짜맞춤으로써 부분적으로 복구된 3종의 고세균들이다.
즉, 실체가 발견된 것이 아니라 부분적으로 짜맞추어진 게놈으로써 존재가 증명된 생명체인 셈이다. 따라서 생사 여부도 알 수 없을 뿐더러 전체 게놈이 아닌 일부 게놈만이 존재하는 상태다.
만약 로키의 세포가 몇 개라도 더 발견된다면, 또한 로키보다 진핵생물에 더 가까운 고세균이 앞으로 더 발견된다면, 인간이 그동안 가장 궁금하게 생각했던 생명 탄생의 수수께끼 중 하나를 풀 수 있게 될지도 모른다.