물고기 뱃속에 눈으로도 보이는 초대형 박테리아 산다 [와우! 과학]

우리 장 속에는 인간의 세포보다 더 많은 수의 장내 미생물이 살고 있다. 박테리아는 동물 세포보다 크기가 상당히 작기 때문에 전체 부피는 작아도 숫자는 더 많을 수 있다. 장내 미생물은 인체 건강에 큰 영향을 미칠 수 있어 과학자들의 주목을 받고 있다. 그리고 사실 다른 동물에서도 인간만큼 중요한 역할을 하는 경우가 많다.

1985년 이스라엘 텔아비브 대학 과학자들은 홍해의 열대 바다에서 양쥐돔의 일종인 흑갈양쥐돔(brown surgeonfish, 학명 Acanthurus nigrofuscus)의 장에서 현미경 없이 눈으로도 볼 수 있는 거대한 단세포 생물을 발견했다. 연구팀은 생선 먹기 축제의 손님이라는 뜻의 에풀로피씨움 (Epulopiscium)이라는 속명을 부여했다.

후속 연구를 통해 에풀로피씨움은 거대한 그람 음성 박테리아로 밝혀졌다. 몸길이가 0.2~0.7㎜에 달해 현미경 없이도 작은 점으로 보일 뿐 아니라 부피도 대장균의 100만 배에 달해 그때까지 발견된 가장 큰 박테리아라는 기록을 세웠다. 이 기록은 1999년 티오마르가리타 나미비엔시스(Thiomargarita namibiensis)라는 초거대 박테리아가 발견되면서 깨지긴 했지만, 여전히 에풀로피씨움은 세계에서 두 번째로 큰 박테리아다.

작은 박테리아나 그보다 더 작은 바이러스도 연구하는 과학자들에게 이렇게 큰 박테리아는 너무나 쉬운 연구 대상일 것 같지만, 실상은 그렇지 않다. 과학자들은 이후 여러 종의 에풀로피씨움 박테리아를 발견했지만, 모두 열대 산호초의 얕은 바다에 살고 있는 양쥐돔의 장에서만 발견되었기 때문에 세균을 확보하고 배양하는 데 애를 먹었다. 특정 물고기의 장내 환경에서만 살 수 있게 진화했기 때문에 어렵게 세균을 확보해도 연구를 위해 배양하고 보존하기 힘들었다. 하지만 코넬 대학 어셔 앤거트 교수가 이끄는 연구팀은 로렌스 리버모어 국립연구소의 과학자와 함께 에풀로피씨움 비비파루스(Epulopiscium viviparus)의 유전자 전체를 해독하고 이들의 독특한 생활 방식을 밝혀냈다.

크기가 다르면 생활 방식도 많은 차이가 생길 수밖에 없다. 에풀로피씨움과의 박테리아는 단순한 이분법에 의해 증식하는 것이 아니라 내부에 작은 세포를 만들어 번식한다. 에풀로피씨움 비비파루스는 내부에 최대 12개의 태아 세포를 잉태한 후 하나씩 낳는다. 워낙 거대한 박테리아이기 때문에 정확히 두 개로 나눠지기 힘들다는 점이 이런 독특한 번식법이 진화한 이유로 생각된다. 따라서 현미경으로 에풀로피씨움 비비파루스의 내부를 들여다보면 여러 개의 주머니 같은 태아 세포를 볼 수 있다. 

연구팀에 따르면 에풀로피씨움 비비파루스의 유전자의 상당 부분은 공생 관계에 있는 양쥐돔의 장에서 최대한 많은 에너지를 얻어 내는데 관련되어 있다. 산소가 적은 혐기성 환경에서 살아가는 세균은 사실 많은 에너지를 얻기 힘들다. 발효를 통해 얻는 에너지는 산소 호흡을 통해 얻는 에너지보다 훨씬 적다. 따라서 장내 미생물이 이렇게 커질 수 있다는 것은 과학자들에게 큰 미스터리였다.

연구팀은 에풀로피씨움 비비파루스의 세포막이 마치 미토콘드리아에서 볼 수 있는 것과 비슷한 주름 구조와 단백질을 지니고 있어 효과적으로 에너지를 만들어낸다는 사실을 발견했다. 물론 이는 수렴진화에 의한 것으로 에풀로피씨움 같은 박테리아는 미토콘드리아 같은 세포 내 소기관을 지니고 있지 않다.

에풀로피씨움의 존재는 우리가 알고 있는 생물 다양성이 사실은 일부에 불과하다는 점을 보여준다. 장내 미생물이나 다른 공생 미생물을 생각하면 작은 물고기 장 안에도 우리가 모르는 소우주가 펼쳐져 있는 것과 마찬가지로 다양한 세상이 존재한다. 그리고 이들 가운데는 우리가 모르는 독특한 대사 과정이나 물질을 만드는 미생물이 있어 신물질 개발이나 신약 개발에 도움을 줄 수 있다. 우리가 최대한 생물 다양성과 생물 자원을 보호해야 하는 이유다.