출처 : http://kjoon1020.blog.me/70139447499  (AUS 현실의 마법사님 블러그)

↑ 해탈 미시건 주립대학의 박사학위 취득자이신 재커르 블라운트(Zachary Blount) 박사님이시며 기관이 새로운 기능을 가지도록 진화하는 방법에 대해 연구하고 계신 분이시다. 뒤에 쌓인건 모두 실험에 쓰인 대장균 배지들

(http://images.sciencedaily.com/2012/09/120919135411-large.jpg )

 

미시건 주립대의 리처드 렌스키 박사가 주축이 되어 대한민국, 프랑스, 미국 공동연구진이 진행한 연구이다. 1988년부터 시작하여 2009년도에 네이쳐지에 논문이 실렸고, 지금도 계속되고 있는 대규모 연구이다. 2012년 10월에 56000여 세대에 도달했다고 한다.

 

- 의문 및 가설 설정

↑ 네이쳐지에 올라온 논문 원본의 첫장 일부분

 

이 실험은 진화생물학이 가지고 있는 몇가지 중대한 의문을 해결하기 위해 실시되었다. 그 의문이란 

 

1. 진화의 정도가 시간에 따라 얼마나 변하는가?

2. 동일한 환경을 지닌 다른 공간에서 진화의 정도가 얼마나 재현 가능한가?

3. 유전체와 표현형은 어느 정도나 관계가 있는가?

 

이다. 이들 모두 예전부터 진화론의 주된 논쟁 대상들 중 하나였으며 이를 해결하기 위한 노력도 계속 되었었다. 이 대장균 장기 진화 실험 역시 그러한 노력 중 하나이며 이들 질문에 실험적 답을 제시하기 위해 실시되었다.

 

 

- 실험 방법

↑ 대장균(E.coli)의 모습을 보여주는 전자현미경 사진 

(http://www.universityofcalifornia.edu/everyday/agriculture/images/e_coli.jpg )

 

실험 대상으로는 대장균(Escherichia coli, 즉 줄여서 E.coli)을 사용했다. 그 이유는 한세대가 20분 가량으로 매우 짧고, 언제든지 냉동 보존해1 뒀다가 다시 쓸 수 있기 때문이다. 대장균은 순수 무성 생식으로만 배양했는데, 이를 이용해 순수 돌연변이에 의한 진화2만 관찰해 낼 수 있을 뿐더러 이들이 모두 하나의 공통 조상에서 배양되었다는 증거로 쓰기 위해서였다.

실험에 쓰인 대장균의 혈통은 1966년 시무어 레데르버그와 브루스 레빈이 출판해 알려진 Bc251 이며 그 중에서도 아라비노오스3 환경에서 생육이 가능한 Ara+ 변이4 혈통을 6그룹, 아라비노오스 환경에서 생육이 불가능한 Ara- 혈통을 6그룹으로 설정해 사용했다.

 

실험 방식은 매우 간단하다. 한마디로 응축하자면 '닥치고 배양'. 대장균을 총 12개의 그룹으로 나누어 연구실에서 배양하고, 매일 배지에서 1% 가량의 개체군이 신선한 배지로 이동된다. 개체군은 약 500세대5마다 대표 개체군을 추출해 글리세롤에 냉동하고, 정기적으로 적응도 검사를 받아 어떠한 변이를 일으켰는지와 적응도가 어느정도 올라갔는지를 알아본다. 그리고 이것을 끝없이 무한 반복한다.

 

이러한 방식으로 대장균이 세대가 지남에 따라 얼마나 많은 변이가 일어났는지, 그리고 적응도가 어느정도 향상되었는지를 알아봄으로써 변이와 적응도의 관계를 알아볼 수 있는 것이다.

 

 

- 실험 결과

↑ 특정 세대가 지난 후 대장균의 유전체에 얼마나 많은 변이가 일어났는지를 한눈에 보여주는 그림이다. 가장 중심부에 있는 동심원이 가장 처음 배양한 조상의 유전체이고, 바깥쪽으로 가면서 보이는 색깔, 글씨로 표현된 부분이 변이가 일어난 부분이다. 세대수의 경우 가장 중간부터 2,000세대, 5,000세대, 10,000세대, 20,000세대. 

(http://beacon-center.org/wp-content/uploads/2010/11/BEACON_Gene_Change.jpg )

↑ 대장균의 적응도와 변이의 관계를 나타내는 그래프. 초록색은 적응도, 파란색은 변이 곡선이다. 

(http://www.nature.com/nature/journal/v461/n7268/images/nature08480-f2.2.jpg )

 

위 방법으로 거의 20년 넘게 배양하고 보존하고 실험하기를 수십, 수백 차례....... 배양을 지속하자 이들의 변이 갯수와 적응도가 상향되는 것이 보이기 시작하였다. 초반 2만여 세대까지는 급속하게 적응도가 상승하였고, 이 이후에는 상승이 조금 지체되었다. 표면적인 특징으로는 모든 개체군들이 세포 부피가 증가하고 군집의 밀도가 떨어지며 글루코오스6 환경에 완전히 적응하는 모습을 보여주었다. 

 

변이들을 분석해 본 결과도 상당히 흥미로웠다. 한 개체군마다 10~20여개의 변이들이 생존해 고정되었으며 12그룹 중 4개의 그룹은 아예 DNA 수선기작7에 결함이 생겨 수많은 변이들이 생겨나는 모습을 보여주었다.

 

 

- 유산소 환경에서의 구연산 흡수 기작의 진화

↑ 중간의 탁한 색깔의 플라스크가 유산소 환경에서의 구연산 흡수 기작을 진화시킨 대장균이 살고 있는 플라스크이다. 

(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lenski%27s_long-term_lines_of_E._coli_on_25_June_2008,_close-up_of_citrate_mutant.jpg )

 

33,127 세대쯤 지난 배지에서 연구원들은 어느 한 배지의 대장균 개체군이 갑자기 상당히 증식해 있다는 사실을 알아냈다. 연구진들은 이 배지의 대장균들이 갑자기 대량으로 증식한 이유에 대해 궁금해했고 이들을 분석했다. 그 결과 이들이 유산소 환경에서 구연산8을 분해할 수 있는 기작을 진화시켰음을 알게 되었다.

 

본래 대장균은 유산소 환경에서 구연산을 소화할 수 없으며, 이와같은 기작은 유사한 종인 살모넬라균이 가지고 있는 특성이다9. 연구진들은 이러한 특성이 어떠한 과정을 거쳐 진화하였는지에 대해서도 알아보았고, 그 결과 이 형질이 31,000 세대와 31,500세대 사이에 진화되었으며 예전에 고립된 유전적으로 완전히 동일한 개체군의 경우 동일한 환경에서 배양시키면 이러한 형질을 진화시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 그러나 20,000여 세대 이전의 대장균에서는 이러한 형질을 진화시킬 수 없었다.

 

연구에 따르면 구연산을 이용할 수 있도록 해주는 유전자의 진화에는 최소 두번의 돌연변이가 필요하며, 이러한 중복 돌연변이는 침묵하고 있는 citT 유전자를 mk 유전자10 프로모터11의 지배 아래 놓이게 한다. 이렇게 만들어진 새로운 프로모터는 구연산 운반 단백질 유전자를 유산소 환경에서도 발현시켜 주기 때문에 유산소 환경에서도 구연산을 분해하는 능력을 가질 수 있게 되는 것이다. 그러나 이러한 형태의 중복 돌연변이는 적응도를 고작 1% 가량 높여줄 뿐이다. 이 중복 돌연변이 이후에는 다른 돌연변이들이 수차례 나타나 이 구연산 분해 능력을 보다 강화시켰다.

 

연구진들은 이러한 구연산 분해 능력의 진화를 통해 새로운 형질이 진화하는 3가지 단계를 제시하였다.

 

1. 상승(potentiation) : 개체군 내에서 돌연변이들이 축척되는 시기

2. 실현(actualization) : 하나 혹은 여러개의 돌연변이들이 축척된 결과가 나타나는 시기로 변이의 결과가 보다 분명해진다.

3. 개선(refinement) : 그 뒤의 돌연변이들로 인해 변이의 적응도가 더욱 올라가는 시기

 

우째 굴드 박사님의 단속평행설과 거의 비슷하다;; 아님말고

 

 

- 세포 크기의 증가

↑ 실험에 사용된 대장균 그룹의 세포 크기 증가를 보여주는 그래프. 세로축은 세포 크기, 가로축은 세대수 

(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lenski10.png )

 

이 실험에 사용된 대장균 모두는 세포의 부피가 증가하는 변이를 보여주었다. 페니실린 결합 단백질(Penicillin binding protein) 유전자의 발현 변이에 의해 일어난 일이라 생각되고 있다. 이러한 변이는 조상 박테리아와의 경쟁에서 보다 유리하게 작용하였을 것이다.

 

 

- 참고자료(References)

Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature. 29 October 2009

http://en.wikipedia.org/wiki/E._coli_long-term_evolution_experiment

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%8C%80%EC%9E%A5%EA%B7%A0%EC%9D%98_%EC%9E%A5%EA%B8%B0%EA%B0%84_%EC%A7%84%ED%99%94_%EC%8B%A4%ED%97%98

http://imnews.imbc.com/replay/nw1200/article/2471185_5786.html

http://terms.naver.com/entry.nhn?cid=359&docId=604150&mobile&categoryId=359

http://terms.naver.com/entry.nhn?cid=359&docId=436486&mobile&categoryId=359

 

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예전부터 쓸까 하던 포스팅이었는데 이제야 쓰네요. 논문 다시 읽어보고 위키백과 번역하고 하느라 시간이 많이 걸렸습니다.

 

남들이 이해하기 쉽도록 쓰면 좋겠지만 안타깝게도 전문용어를 남발하고 말았네요 엉엉 이럴때만 도킨스 박사님을 포함한 많은 과학 저술가분들의 '어려운 과학적 사실을 이해하기 쉽게 설명해주는 정도의 능력' 이 부럽습니다. 저도 프로모터 같은 단어를 쓰지 않고 유전자 발현을 설명할 수 있었으면 ㅠㅠ

 

예전에 융합과학 관련 발표대회 나가서 시스템생물학을 이용한 연구 결과 발표를 현습할 때 보시던 생물쌤이 저보고 하신 말씀이 "진짜 어렵게 설명하네" 였습니다. 아무래도 과거에 키배하고 다녔을때 상대를 주눅들게 하기 위해 전문용어를 남발하던게 버릇이 된것 같습니다 에휴.... 뭐 지금은 그만뒀지만요.

 

이상으로 갠적인 컴플렉스

 

 

잘못된 부분도 많고 오역도 많으리라 생각됩니다. 있다면 따끔하게 지적해주세요^^ 그리고 제가 포스팅쓰면서 갠적으로 궁금했던것도 태그중에 있는데 그것도 아시는분은 덧글로......