리처드 렌스키의 대장균 진화실험

[관련 논문]

Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli
Nature 461, 1243-1247 (29 October 2009) | doi:10.1038/nature08480; Received 9 July 2009; Accepted 28 August 2009; Published online 18 October 2009; Corrected 29 October 2009
http://www.nature.com/nature/journal/v461/n7268/full/nature08480.html

[기사] http://www.sciencetimes.co.kr/article.do?atidx=0000034751

대장균 이용해 유전체 진화 규명

4만 세대에서 돌연변이 발생 폭증

2009년 10월 19일(월)

유전체 전체 서열 비교분석으로 진화연구의 새 창이 열렸다.

16일 교육과학기술부(장관 안병만)에 따르면 한국생명공학연구원(원장 박영훈) 바이오시스템연구본부의 김지현 박사팀 주도로 미국 미시간주립대학교의 렌스키(Richard E. Lenski) 교수, 프랑스 조셉푸리에대학교의 슈나이더(Dominique Schneider) 교수의 공동연구로 이 같은 연구결과를 얻었다. 이는 4만 세대 동안 실험실에서 진화된 생명체의 유전체 염기서열을 비교분석하여 생명체 진화 과정을 추적하였을 뿐 아니라 환경적응도와의 상관관계를 규명한 것이다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위의 학술저널인 ‘네이처(Nature)'지 10월 18일자(한국시각 10월 19일 02시) 온라인판에 발표됐다.

생명체의 진화는 그 과정을 직접 관찰하는 게 불가능하다. 왜냐하면 장기간에 걸쳐 점진적으로 진화가 일어나기 때문이다. 그러나 실험실에서 빠른 속도로 증식하는 미생물인 대장균(Escherichia coli)을 사용하면 여러 세대에 거쳐 일어나는 진화 과정의 실시간 추적이 가능할 뿐만 아니라 동결보존해둔 조상 균주와 후손 균주의 직접적인 경쟁을 통해 동일한 환경에 대한 적응도를 정량적으로 비교할 수 있다.

유전체 변이 양상…수만 세대 추적

4만 세대까지 배양한 대장균을 대상으로 한 이번 연구는 렌스키 연구팀과 슈나이더 교수팀이 공동으로 장기간 배양에 의한 진화 실험과 세대별 적응도(fitness) 분석을 수행했다. 김지현 박사팀은 대용량 유전체 염기서열 해독을 통한 돌연변이 서열의 분석 연구를 담당했다. 교과부에 따르면 진화 과정 중에 있는 생명체의 유전체 염기서열을 고정밀도로 해독하여 약 20년에 걸친 장기간의 진화실험에 따른 유전체 변이의 양상을 수만 세대 동안이나 추적한 것은 이번 연구가 처음이다.

이번 연구로 환경 조건이 일정하게 유지되는 조건이라 하더라도 유전체의 변이 속도와 적응도 간의 관계는 일정하지 않음이 처음으로 밝혀졌다. 단백질로 만들어지는 부위에 발생한 돌연변이는 모두 아미노산 서열이 바뀌는 종류의 것이고, 대부분의 돌연변이가 개체에 유익한 것으로 확인됐다.

연구진은 2천, 5천, 1만, 1만5천, 2만, 및 4만 세대 째의 클론을 분리하여 차세대 염기서열 해독 기법인 님블젠(NimbleGen)과 일루미나(Illumina) 방법을 이용, 기반 균주인 REL606의 유전체 서열과 비교하여 염기서열 상에 발생한 차이를 확인했다.

4만 세대에서 돌연변이 발생 폭증

그 결과 2만 세대까지 시간에 비례하여 돌연변이 수가 일정하게 증가하였으나, 환경에 대한 적응도는 진화초기인 약 2천 세대까지만 기반균주의 1.5배 수준으로 급격히 증가하였다가 이후에는 증가폭이 점차 감소하면서 2만 세대에서는 추가적으로 0.34배 정도 증가하는 데 그쳤다.

그러나 4만 세대에서는 돌연변이의 발생이 폭증했다.(전체 유전체의 약 1.2%가 결손) 이는 25,600 세대 경에 특정 유전자에 돌연변이가 발생하여 염기서열 복제의 오류가 정상세포보다 크게 증대된 데에 기인할 것으로 추측되고 있다.

김지현 박사는 “10년 가까이 중점적으로 진행해 온 연구가 다윈 탄생 200주년 및 <종의 기원> 출판 150주년이 되는 올해를 맞아 생명체의 진화 메커니즘을 밝히려는 노력에 기여하게 됨을 뜻 깊게 생각한다”면서 “진화 개념을 응용하면 산업적으로 바이오합성 균주의 시스템 최적화 등을 도모할 수도 있다”고 밝혔다.

아울러 미생물유전체프론티어 사업단장으로서 이번 연구 성과의 공동저자이기도 한 오태광 박사는 “미생물 및 유전체 이용 기술은 바이오 경제를 이끌어갈 주역”이라면서 “이번 연구는 생명현상에 근본적인 안정성을 예측하는 수만 세대 이후 유전 진화현상을 근본적으로 밝힌 기초적인 연구 성과이지만, 이런 현상을 이용하면 획기적인 생산 방법도 가능하다”고 강조했다.

■ 용어설명

▶ 대장균(Escherichia coli) : 발견자의 이름을 따서 학명이 붙여진 세균으로서 항온동물의 대장에서 정상 균총을 이루는 미생물 중 하나로 대부분은 무해할 뿐만 아니라 비타민 K를 생산하고 병원균이 정착하는 것을 막아서 기주에 유익하기도 하지만, 개중에는 O157:H7과 같이 식중독을 일으키는 병원성 균주와 이질균(Shigella)도 있음. 대장균은 키우기 쉽고 다루기가 용이하여 인류가 가장 많이 연구하고 활용해온 모델 생명체 중에 하나로서 K-12나 B와 같은 균주들은 미생물학, 분자생물학, 분자유전학적 연구뿐만 아니라 세포공장으로써 각종 재조합 단백질이나 유용물질 등을 생산하기 위해 생명공학에 널리 이용되고 있음. BL21(DE3)와 REL606 균주는 B 계열의 대장균으로서, BL21(DE3)는 의약용 또는 산업용 재조합 단백질을 대량으로 발현하는 단백질공장(protein factory)으로 많이 이용되고 있고 REL606는 조건 환경에서의 유전체 진화 양상과 표현형으로 나타나는 환경 적응과의 관계를 연구하는데 이용돼 왔음.

▶ 실험진화(experimental evolution) : 생물체를 실험실 조건에서 여러 세대 동안 유지하면서 진화의 가설과 이론을 검정하는 연구 기법으로 1893년 미국 위스콘신대학교의 Harry L. Russel이 세대수가 짧은 미생물을 제어 가능한 환경에서 장기간 계대배양하면서 진화의 실제를 연구할 수 있을 것이라는 아이디어를 제시한 것이 최초임. 대장균과 같은 세균을 사용하면 오랜 세대에 거쳐 일어나는 진화 과정의 실시간 추적이 가능할 뿐만 아니라, 동결보존해둔 조상 균주와 후손 균주의 직접적인 경쟁을 통해 동일한 환경에 대한 적응도를 정량적으로 비교하는 것이 가능함. 1980년대에 미국 미시간주립대학교의 Richard E. Lenski 교수가 저농도의 포도당을 함유한 최소 배지에 대장균을 매일 계대배양하면서 시간에 따른 적응도 변화와 집단 간의 평행적 진화에 대한 연구 결과를 발표한 것을 필두로 하여 진화 연구의 주요 연구 기법으로 확립되었으며, 최근에는 대용량 시퀀싱 및 오믹스(omics) 분석 기법과 접목되어 유전체 수준의 분자 진화 기작을 해명하는데 크게 기여하고 있음.

▶ 적응도(fitness) : 특정 유전자형을 지닌 개체가 주어진 환경에 적응하는 정도로서, 일반적으로는 성공적인 생식을 거쳐 다음 세대에서 그 유전자를 갖게 되는 개체의 비율로써 표현함. 유전자는 환경과 직접 작용하는 것이 아니라 외부로 노출되는 표현형의 형태로 반영되며, 자연 선택의 과정을 거쳐 주어진 환경에 대한 적응도가 가장 높은 개체가 생존하게 되고 따라서 해당 유전자의 빈도는 다음 세대에 더욱 높아지게 됨.

김재호 기자 | [email protected]

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[관련 기사]

한-미-불 공동연구진, 진화론 입증
MBC | 입력 2009.10.19
http://media.daum.net/culture/others/view.html?cateid=1026&newsid=20091019143411787&p=imbc

4만 세대 '생명체 진화의 비밀', 실험으로 밝히다
김지현 생명연 박사팀 주도적 성과…네이처 아티클 논문 게재
"유전체 진화 경로 규명으로 생명 진화연구 신기원 마련"
http://www.hellodd.com/Kr/DD_News/Article_View.asp?Mark=28983&Midx=1&Pidx=&Page=1

유전체 진화경로 규명
디지털타임스 | 안경애 | 입력 2009.10.19
http://media.daum.net/economic/others/view.html?cateid=1041&newsid=20091019083032507&p=dt

유전체 진화 경로 규명
생명과학 / Bio통신원 | 교육과학기술부 (2009-10-19)
http://bric.postech.ac.kr/myboard/read.php?Board=news&id=158287

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[관련 자료]

리처드 렌스키 교수의 논문들

Long-term evolution experiment with E.coli

http://myxo.css.msu.edu/cgi-bin/lenski/prefman.pl?group=aad

E. coli long-term evolution experiment
http://en.wikipedia.org/wiki/E._coli_long-term_evolution_experiment

위 위키피디아 글 번역
번역 출처 http://zariski.egloos.com/2070410

E. coli 장기간 진화 실험은 Richard Lenski가 현재 진행하고 있는 실험실 진화 연구인데, 최초 12개의 거의 동일한 무성생물[asexual] Escherichia coli 박테리아 개체군[population]의 유전적 변화를 1988년 2월 15일부터 추척하는 실험이다.

이 실험의 처음부터 Lenski와 그의 동료는 유전자 변화의 긴 사슬을 보고하고 있다; 한두 개체군에서 보이는 것도 있지만 몇몇 진화적 적응[adaptation]이 모든 12 개체군에서 일어났다. 한가지 특별히 놀라운 적응이 E. coli의 종족에서 일어났는데, 그것은 성장 매개체로 구연산[citric acid]을 이용하는 것이 가능해진 것이다.

실험적 접근
장기간의 진화실험은 진화생물학의 핵심적인 몇몇 문제를 위한 실험적 증거를 제공하기 위해 시행되었다: 시간에 따라 어떻게 진화의 정도가 변하는가; 진화적 변화의 정도가 동일한 환경의 다른 개체군에서 재현가능한 정도; 그리고 진화에서 표현형 단계와 유전자 단계의 관계 등이 있다.

E. coli를 실험유기체로 이용한 이유는 상대적으로 짧은 시간에 많은 개체수와 자손을 번식하고, 실험절차가 간단하기 때문이다. (분자생물학에서 E. coli의 이용은 수십년간 정리되었다) 박테리아를 냉동보관할 수 있고, Lenski가 "냉동 화석 기록[frozen fossil record]"이라고 묘사한 것으로 만들 수 있는데, 이것은 언제든 다시 살릴 수 (그리고 오염되거나 실험에 다른 방해가 있는 경우 최근의 개체를 가지고 다시 시작할 수) 있다. Lenski는 세균접합[Bacterial conjugation; 역주 - 암수의 세균이 균체 표면의 일부에서 결합하여, 수컷균의 유전물질이 암컷균내로 전달되는 현상]없이 오직 무성생식만 하는 E. coli 품종[E. coli strain]을 선택했다; 이것은 연구를 새로운 돌연변이에 근거한 진화 연구로 제한한 것이고 마찬가지로 유전자 표지[genetic marker]를 사용하여 공통된 조상을 공유했다는 근거를 삼기 위해서이다.

방법
각각의 12 개체군은 미시간 대학에 있는 Lenski의 연구실에서 최소 증식배지[minimal growth medium]에 배양되고 있다. 매일 각 개체군의 1%가 신선한 증식배지의 플라스크로 이전된다. 각 개체군에서 다수의 대표 샘플이 500세대(75일) 간격으로 항냉동제[cryoprotectant]인 글리세롤[glycerol]과 함께 냉동된다.
(중략)

결과
실험 초기에는 개체군 간에 몇몇 공통된 진화적 전개가 이루어졌다. 각 개체군의 평균 적응은 조상의 혈통과 비교했을 때 증가했다 - 처음에는 빠르게, 그러나 20000세대에 가까워서는 둔화되었다. (이 당시 그것들은 그 조상들보다 70% 더 빠르게 성장했다) 모든 개체군의 부피는 커졌고, 최대 개체군 밀도가 낮아졌으며, 모두 글루코스에서의 생활에 특성화 되었다. (이보다 유사하지 않은 환경에서의 성장은 그들 조상보다 상대적으로 적응도가 떨어졌다) 12개체군 중 4개는 그들의 DNA 복구능력이 감소하여, 이러한 혈통에서 추가적인 돌연변이의 비율이 급격하게 증가했다. 비록 각 박테리아 개체군에서 최초 20000세대 동안 수백만개의 변이가 나타났을 것이라 생각되지만, Lenski는 단지 10에서 20개의 우성 돌연변이[beneficial mutation]가 개개의 개체군에서 정착[fixation]한 것으로 추정하고, 100개 이하의 돌연변이(중립적 돌연변이 포함)가 각각의 개체군에서 정착한 것으로 추정한다.

2008년 Lenski와 그 일원들은 12개체군중 하나에서 일어난 특별히 중요한 적응[adaptation]이 일어났음을 보고했다 : 박테리아가 구연산 염[citrate]을 에너지 자원으로 활용하는 능력을 진화했다. 보통 E. coli는 산소가 있을 때 구연산을 세포 외부에서 세포 내부로 옮기지 못한다. (구연산 회로[citric acid cycle]로 병합한 다음 가능하다) 이 결과 산소가 있을 때 구연산 염에서 성장지연은 이 종을 정의하는 특성이므로 병원체 Salmonella로부터 E. coli를 구별해내는 유용한 방법이 된다. 33127번째 세대 근방에서, 실험자들은 샘플중 하나에서 개체군수[population-size]가 극적으로 급격하게 증가한 것을 발견하였다; 증식배지에서 철분 획득을 하여 구연산염에서 성장할 수 있는 클론을 이 개체군에서 발견하였던 것이다. 이전 냉동된 개체군의 샘플 실험을 통해 구연산 염을 이용하는 변이가 31000번째에서 31500번째 세대 사이의 어떤 지점에서 진화됨을 발견하였다. 그들은 이 개체군에게 유일한 수많은 유전자 표지를 이용하여 구연산 염을 이용하는 E. coli가 오염될 가능성을 배제하였다. 마찬가지로 그들은 구연산 염을 이용하는 능력이 개체군 역사 중 예전에 고립된 유전적으로 완전히 동일한 클론에서 자발적으로 재진화[re-evolve] 할 수 있음을 발견하였다. 이러한 구연산 염 이용의 재진화는 20000 세대 이전의 고립된 클론에서는 결코 나타나지 않았다. 심지어 구연산 염 이용 재진화가 가능한 이러한 클론에서도, 이 능력은 1조 세포당 한 번의 비율로 나타난다. 저자는 이 한 개체군에서 구연산 염 이용의 진화가 이전 것에 좌우된다는 점을 지적하는 이러한 결과가, 구연산 염 이용에 접근가능한 정도(구연산 염 이용에는 이 "잠재성을 불어넣는[potentiating] 변이의 결과인 적어도 두 개의 변이가 필요하다고 제시한 추후의 데이터와 함께)까지 변이의 비율을 높이는 효과를 가지는 비 적응적[non-adaptive]인 "잠재성을 불어넣는[potentiating]" 변이가 아닐까 하고 설명했다. 더 일반적으로 저자는 이 결과가 (Stephen Jay Gould의 말을 빌자면) 진화의 과정에서 "역사적인 우발사고가 심오하고도 지속적인 영향을 가져올 수 있다"[that historical contingency can have a profound and lasting impact]는 것을 가리킨다고 주장한다.

이 모든 박테리아에서 일어난 또 다른 적응으로는 세포의 크기가 커지고 많은 환경[culture]에서 형태가 둥글게 변했다. 이 변화는 부분적으로 페니실린 결합 단백질[penicillin binding protein]을 위한 유전자의 발현[expression‍]이 변하는 변이의 결과인데, 이것은 변종 박테리아가 선조 박테리아보다 장기간 진화 실험에서 유리하도록 만든다. 그러나 비록 이 변이가 이러한 환경에서는 적응도[fitness]를 높이지만, 박테리아의 삼투압 충격[osmotic stress]에 대한 민감성을 높이고 안정적인 주변[culture]에서 장기간 살아남는 능력을 줄이므로 이 적응의 표현형[phenotype]은 세포의 환경[environment]에 의존한다.