대장균이 뇌세포 없이도 유전자 기억을 전달하는 놀라운 메커니즘

연구팀이 관찰한 박테리아 무리. 텍사스주립대 제공

 

뇌세포가 없는 세균도 경험을 '기억'하고 이를 후대에 전달할 수 있다는 연구 결과가 발표되었습니다. 이 연구는 미국 텍사스대학교 미생물학과 래시카 하시 교수 연구팀에 의해 수행되었으며, 결과는 '미국립과학원회보(PNAS)'에 게재되었습니다.

 

연구의 대상은 사람의 장 속에서 살며 장염을 일으키는 세균, 대장균(Escherichia coli)입니다. 연구팀은 대장균이 세포 내 철분을 활용해 군집 행동 양식을 기억하고 후손에게 이 정보를 전달한다는 사실을 발견했습니다. 대장균은 스워밍(swarming)이라는 군집 행동을 통해 독성을 강화하는 특성이 있으며, 이 행동은 수백만 마리에 이르는 대장균이 모이면 건강에 위험을 초래할 수 있습니다.

 

이전에 군집을 이룬 경험이 있는 대장균들은 다시 스워밍을 할 때 이전보다 더 효과적으로 행동한다는 것이 관찰되었습니다. 이러한 현상은 학습된 기억으로 인한 행동으로 해석될 수 있지만, 연구팀은 박테리아에게는 기억을 관장하는 뉴런, 시냅스, 신경계가 없다는 점에 주목했습니다.

 

연구에서는 대장균이 철분을 통해 일종의 기억을 저장하는 메커니즘을 새롭게 밝혀냈습니다. 철분을 적게 보유한 대장균은 다른 대장균들과 빠르게 군집을 형성하는 경향이 있으며, 이는 독성이 강해진다는 의미입니다. 반면, 철분이 많은 대장균은 군집 형성이 느리며, 철분이 고르게 분포된 대장균은 항생제에 대한 내성이 강했습니다.

 

연구팀은 "철분이 낮을 때 대장균은 주변 환경에서 철분을 찾기 위해 빠르게 무리를 형성해야 한다는 기억이 남는다"고 분석했습니다. 이러한 정보는 대장균이 세포 분열을 통해 번식하면서 후손 대장균에게도 전달되며, 최대 4세대까지 이 행동 양식이 이어지는 것으로 확인되었습니다. 7세대가 되면 체내에 저장된 기억이 소멸됩니다.

수비크 바타차야 박사는 이 연구 결과가 박테리아 진화의 중요한 요소를 밝혀주며, 특히 항생제에 내성을 가진 박테리아를 다루는 방법에 대한 이해도를 높일 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔습니다.

 

 

 

수평 유전자 이

 

대장균의 유전자 다양성과 수평 유전자 전달

대장균은 다양한 종류가 있으며, 이들 중 일부는 병원성을 가지고 있습니다. 병원성 대장균과 비병원성 대장균의 주요 차이점은 유전자의 차이에서 비롯됩니다. 병원성 대장균은 일반적인 대장균에 비해 약 1000개 이상의 유전자를 추가로 가지고 있으며, 이 중 상당수가 병원성과 관련되어 있습니다. 이러한 병원성 유전자들은 무작위로 분포되어 있지 않고, '병원성 유전자 섬'이라고 불리는 특정 지역에 집중되어 있습니다. 이는 유전자들이 세포 분열 과정의 무작위 돌연변이보다는 외부에서 들어온 것임을 시사합니다.

 

대장균은 장티푸스와 이질을 일으키는 살모넬라와 시겔라 같은 다른 병원균들과의 접촉을 통해 유전자를 교환하며 변화해왔습니다. 예를 들어, 장출혈성 대장균 O-157의 독소 유전자는 시겔라에서 유래한 것으로 보입니다. 이러한 유전자 교환은 '수평 유전자 전달'이라고 하며, 세균이 환경 변화에 적응하고 다양성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

세균은 자신들의 DNA를 다른 세균에게 전달하거나, 죽은 세균의 DNA를 흡수하는 등 다양한 방식으로 수평 유전자 전달을 수행합니다. 이를 통해 세균은 빠르게 새로운 환경에 적응하고, 병원성을 갖게 되는 경우도 있습니다.

 

이러한 세균의 유전자 전달 방식은 인간의 교육과 정보 전달 방식에 비유될 수 있습니다. 세균처럼 다양한 정보를 수평적으로 주고받으며 학습하고, 적응하는 과정은 인간 사회에서도 중요합니다. 인터넷과 같은 현대의 정보 교환 매체는 이러한 수평적 학습과 정보 전달을 더욱 강화하고 있습니다. 그러나 이러한 정보의 홍수 속에서 올바른 정보를 선별하고, 적절히 활용하는 능력, 즉 '사고 면역'을 기르는 것이 중요합니다.

 

이와 같은 유전자 전달의 다양성과 복잡성은 세균이 수백만 년 동안 생존하고 진화해온 핵심 요인 중 하나입니다. 세균의 이러한 특성은 생물학적 다양성과 적응 능력의 중요한 예로 볼 수 있으며, 인간 사회에서도 정보와 지식을 교환하고 새로운 아이디어를 생성하는 데 있어서 중요한 교훈을 제공합니다.