복잡한 생명체의 기원에 대한 새로운 이론에 의하면 현재 이론을 정반대로 뒤집는 것이 필요하다. 학술지 <BMC Biology>지에 발표된 논문에서 버즈 바움 (Buzz Baum)과 데이비드 바움 (David Baum)은, 모든 다세포 생명체를 포함하는 진핵세포가 형성되었는가에 대한 설명을 ‘전복적 (inside-out)’ 이론은 제공할 수 있다고 주장했다.
과학자들은 오랫동안 세포막에 의존한 덩어리보다 좀 더 발달한 박테리아와 같은 “원핵세포 (prokaryotic)”가 좀 더 복잡한 다양한 세포막으로 이루어진 여러 개의 방을 갖고 있는 진핵세포로 진화했는가에 대한 문제를 풀려고 했다. 이들 격실(compartment)은 DNA의 형태로 유전정보를 갖고 있는 핵 (nucleus)을 포함하고 있다; 그리고 세포 주변에 단백질과 지질 (lipid)을 대체하는 소포체 (endoplasmic reticulum); 그리고 세포에서 에너지를 만들어내는 미토콘드리아를 포함한다. 미토콘드리아는 또한 그 자체적인 DNA를 가지고 있어서 한때 서로 분리된 조직이었다는 것을 알 수 있다. 문제는 복잡성을 매개하는 진핵세포를 아무도 발견하지 못해서 어떻게 이들이 진화했는지에 대해 알아내기 더욱 어렵다.
현재 가장 광범위하게 받아들여지는 이론은 미토콘드리아는 고세균들이 삼켜서 흡수된 박테리아에서 만들어졌다는 주장이다. 고세균들은 박테리아와 그 모습이 유사한 원핵세포로 분자 수준의 차이가 존재할 뿐이다. 진핵세포막 시스템은 핵을 포함하는 것으로 외부 세포막의 함입을 통해서 이 고세균 세포의 경계안에서 형성된다. 이것은 현재 발견되는 많은 데이터에 일치하지만 몇 가지 문제가 남아있다. 가장 중요한 것은 세포막을 합입하는 것으로 알려진 고세균은 존재하지 않는다는 점이다.
또한 미토콘드리아의 경우 먹이섭취에는 많은 에너지가 필요하기 때문에 미토콘드리아가 먹힐 가능성은 적다. 진핵세포의 경우에 미토콘드리아는 에너지를 제공하고 먹이섭취는 미토콘드리아에서 발생한 지질을 필요로 한다. 위스콘신 대학 (University of Wisconsin)의 데이비드 바움 (David Baum)은 “진핵세포는 두 개의 세포형태가 공생하면서 형성되었다는 것에 대해 동의하고 있다. 미토콘드리아가 된 박테리아와 숙주세포인 고세균 또는 고세균의 가까운 사촌격인 세포는 세포질(cytoplasm)과 핵이 된다. 이 공생은 미토콘드리아의 기원을 설명하지만 다른 진핵세포의 구조에 대해서는 설명이 이루어지지 않고 있으며 특히 핵의 기원에 대해서는 설명이 되지 않았다.
바움의 “전복적”이론은 진핵세포가 진화되어온 점진적인 과정을 제공하고 있다. 이 최초 단계는 박테리아 세포의 외부세포막은 돌출물 (protrusions)이 되고 있으며 세포에서 외부로 도달하는 물집이라고 바움은 불렀다. 이들 돌출물은 자유로운 미토콘드리아와 유사한 박테리아에 갇혀 있다. 박테리아와 가까운 접촉을 통해 얻은 에너지를 이용해서 세포는 점차 커지게 되고 돌출물은 크기를 확대하게 된다. 이 물집의 옆쪽은 소포체 (endoplasmic reticulum)와 핵의 외부막을 형성하는 내부 표면을 형성했다. 이 외부막은 원래 고세균의 외부막으로 현재 내부 핵막(nuclear membrane)이 되었다. 마지막으로 물집이 서로 결합하여 플라스마 막의 형성으로 이어졌다. 그 결과는 우리가 현재 알고 있는 진핵세포가 된다. 이 전복적 이론은 이번 연구논문에서 사용된 그림을 통해서 좀 더 세부적인 설명을 제공했다.
데이비드 바움은 외부-내부 전복이론(outside-in)과 내부-외부 이론 (inside-out) 사이의 차이를 은유를 통해서 설명하고 있다: “원핵세포는 거대한 공개된 빌딩으로 매니저와 기계담당자, 우편전달자와 청소부 등으로 이루어진 공장이라고 생각할 수 있다. 이들은 모두 함께 일을 한다. 반면에 진핵세포는 공장이 모여있는 대단위 공단으로 몇 개의 연결된 작업장으로 이루어져 있다: 단일 통제소와 물건을 받고, 만들고, 보내며 쓰레기를 처리하는 특화된 공간들로 이루어져 있다. 전통적인 이론은 이 공단은 분리된 각 방이 단일한 격납고 형식의 빌딩 안에서 분리했다. 반면에 내부-외부 전복이론은 일련의 증축이 원래 빌딩에 부가된 것으로 상상할 수 있다. 반면에 다른 기능은 새롭고 특화된 부분이 된다”고 말했다.
이 내부-외부 전복이론은 현존하는 이론과는 완전히 다르다. 그 이유는 진핵세포의 빌딩에서 활동은 선조세포의 영역 밖에 만들어졌다. 현재 모델을 약 30년 전에 밑그림을 그린 데이비드 바움은 “내부-외부 전복이론모델은 외부-내부 이론의 대안이 될 수 있다. 하지만 이러한 거꾸로된 관점을 갖기 위해서는 미숙한 학부생이 되어야 한다”고 말했다. 이러한 초기 진화단계가 어떻게 일어나는지 알 수 없다. 하지만 현재 과정을 통해서 알아볼 수 있다. 바움은 물집과 같은 돌출부를 만들어내는 현대적 고세균의 일부 사례를 가지고 이 아이디어의 신뢰성을 높이기 위해 사용했다. 그리고 이번 내부-외부 전복모델로 쉽게 설명되는 진핵세포의 공통적인 특징을 알아낼 수 있다.
많은 훌륭한 과학이론처럼 이 내부-외부 전복모델은 현대적 세포에서 테스트될 수 있는 예측으로 이어질 수 있다. 바움은 이 이론이 경험연구를 자극할 수 있다고 희망하고 있다. 그 이유는 아직도 원핵세포와 진핵세포의 생물학에 대해서 알려진 바가 거의 없기 때문이다. 내부-외부 전복이론에 대해서 평론을 했던 BMC Biology지의 편집자인 미란다 로버츠슨 (Miranda Robertson)은 “모든 사람들이 이 이론을 믿는 것은 아니다. 과거 진핵세포의 기원을 재구성하는 것은 매우 불확실한 영역이다. 하지만 한 가지 이론은 사람들이 다시 생각하려면 유용해야 한다. 그리고 우리는 그것을 테스트했다”고 말했다. 영국의 유니버시티 컬리지 런던 (UCL)의 버즈 바움 (Buzz Baum)은 “비록 이 가설이나 가설의 일부가 논박된다면 우리는 평가하려는 노력에서 낙관론은 새로운 세포 생물학의 발견에 걸쳐 존재한다. 그리고 성장하고 분화되는 진핵세포 생물학의 이해를 증진시킬 수 있다. 비록 세포생물학을 공부하는 학생들은 이 분야에 기여하기에는 너무 늦었다고 생각할 수 있지만 그렇지 않다. 모델을 확실하게 하기 위해서 진핵세포조직의 기본적인 논리에 대해서 발견될 것이 많다”고 말했다.
출처: <ScienceDaily> 2014년 10월 28일
원문참조:
David A Baum, Buzz Baum. An inside-out origin for the eukaryotic cell. BMC Biology, 2014; 12 (1): 76 DOI: 10.1186/s12915-014-0076-2
