600번 반복된 실험으로 진화의 비밀에 대한 힌트 발견

지원 대상

삼엽충

실험실의 효모 눈송이는 지구상의 생명체가 어떻게 단세포 유기체에서 다세포 유기체로 전환되었는지에 대한 통찰력을 제공합니다.

베로니크 그린우드

애틀랜타의 한 연구실에서는 수천 개의 효모 세포가 매일 목숨을 걸고 싸우고 있습니다. 하루를 더 살아가는 개체는 가장 빠르게 성장하고 가장 빠르게 번식하며 가장 큰 덩어리를 형성합니다. 약 10년 동안 세포는 서로 달라붙도록 진화하여 가지 모양의 눈송이 모양을 형성했습니다.

이 이상한 눈송이는 수백만 년 전 단세포 생물이 처음으로 뭉쳐 다세포 생물이 되었을 때 어떤 일이 일어났을지 탐구하는 실험의 핵심입니다. 그러나 그 과정은 결국 문어, 타조, 햄스터, 인간과 같은 다루기 힘들고 엄청나게 이상한 유기체로 이어졌습니다.

다세포성은 지구상 생명체의 역사에서 적어도 20번 진화한 것으로 생각되지만, 생명체가 단일 세포에서 운명을 공유하는 많은 세포로 어떻게 변하는지는 분명하지 않습니다. 그러나 수요일 네이처(Nature) 저널에 발표된 논문에서 연구자들은 세포가 어떻게 몸을 구성할 수 있는지에 대한 한 가지 단서를 밝혔습니다. 눈꽃누룩을 생산한 팀은 3,000세대가 넘으면서 누룩 덩어리가 육안으로 보일 정도로 커졌다는 사실을 발견했다. 그 과정에서 그들은 부드럽고 질퍽한 물질에서 나무의 강인함을 지닌 물질로 진화했습니다.

조지아 공대 윌 래트클리프(Will Ratcliff) 교수는 대학원 시절부터 효모 실험을 시작했다. 그는 미시간 주립 대학의 생물학자인 Richard Lenski와 75,000세대가 넘는 세대에 걸쳐 12병의 대장균을 배양하고 1988년부터 개체군이 어떻게 변화했는지 기록한 그의 동료들로부터 영감을 받았습니다. Ratcliff 박사는 세포들이 서로 뭉치도록 장려하는 진화 연구가 다세포성의 기원을 밝힐 수 있는지 궁금해했습니다.

“우리가 알고 있는 다세포성 진화에 대해 알고 있는 모든 계통은 수억 년 전에 이 단계를 밟았습니다.”라고 그는 말했습니다. "그리고 우리는 단일 세포가 어떻게 그룹을 형성하는지에 대한 정보가 많지 않습니다."

그래서 그는 간단한 실험을 시작했습니다. 그는 매일 시험관에 효모 세포를 휘젓고 가장 빨리 바닥에 가라앉은 세포를 빨아들인 다음 이를 사용하여 다음날 효모 개체수를 늘렸습니다. 그는 가장 무거운 개체나 세포 덩어리를 선택하면 효모가 서로 달라붙는 방법을 진화시키려는 인센티브가 있을 것이라고 추론했습니다.

그리고 효과가 있었습니다. 60일 이내에 눈송이 효모가 나타났습니다. 이러한 효모는 돌연변이로 인해 분열할 때 서로 완전히 분리되지 않습니다. 대신에 그들은 유전적으로 동일한 세포의 분지 구조를 형성합니다. 효모는 다세포화되었습니다.

그러나 Ratcliff 박사는 조사를 계속하면서 눈송이가 결코 크게 커지지 않고 고집스럽게 미세한 상태로 남아 있음을 발견했습니다. 그는 자신의 그룹의 박사후 연구원인 Ozan Bozdag에게 산소 부족 또는 산소 부족과 관련된 획기적인 업적을 인정했습니다.

많은 유기체에서 산소는 일종의 로켓 연료로 기능합니다. 설탕에 저장된 에너지에 더 쉽게 접근할 수 있습니다.

보즈다그 박사는 실험에서 일부 효모에 산소를 공급하고 이를 사용하지 못하게 하는 돌연변이가 있는 다른 효모를 키웠습니다. 그는 600번의 이동 과정에서 산소가 부족한 효모의 크기가 폭발한다는 사실을 발견했습니다. 그들의 눈송이는 점점 자라서 결국 육안으로 볼 수 있게 되었습니다. 구조를 면밀히 조사한 결과 효모 세포가 정상보다 훨씬 긴 것으로 나타났습니다. 가지가 엉켜 빽빽한 덩어리를 이루었습니다.

그 밀도는 산소가 효모의 성장을 방해하는 것처럼 보이는 이유를 설명할 수 있다고 과학자들은 생각합니다. 산소를 사용할 수 있는 효모의 경우 크기가 커지면 상당한 단점이 있었습니다.

눈송이가 작게 유지되는 한 세포는 일반적으로 산소에 동등하게 접근할 수 있었습니다. 그러나 크고 조밀한 덩어리는 각 덩어리 내의 세포가 산소로부터 차단된다는 것을 의미했습니다.

반면 산소를 이용하지 못하는 효모는 잃을 것이 없어서 크게 자랐다. 이 발견은 클러스터의 모든 세포에 먹이를 주는 것이 유기체가 다세포화됨에 따라 직면하는 균형의 중요한 부분임을 시사합니다.